Зеркальный мир

Крупный ученый из ГДР в живой и увлекательной форме знакомит читателей с одним из фундаментальных понятий современного естествознания - симметрией. Рассматриваются ее основные виды, проявления в природе и использование в науке, технике и повседневной жизни. Для широкого круга читателей.

Вернер Гильде

Перевод с немецкого канд. геол. -мин. наук Т. Б. Здорик и канд. геол.-мин. наук Л. Г. Фельдмана

под редакцией д-ра геол.-мин. наук проф. И. И. Шафрановского

МОСКВА "МИР" 1982

WERNER GILDE

GESPIEGELTE WELT

VEB FACHBUCHVERLAG LEIPZIG 1979

ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Нарядная, богато иллюстрированная книга с интригующим названием «Зеркальный мир» не может не привлечь внимания читателей. Автор ее, профессор Вернер Гильде, - видный ученый ГДР, специалист в области сварочной техники - широко известен и как талантливый популяризатор науки. Советскому читателю он знаком по книгам «Нужны идеи» и «С микрокалькулятором в руках» (Гильде В., Штарке К.-Д. Нужны идеи. -М.: Мир, 1973. Гильде В., Альтрихтер С. С микрокалькулятором в руках. -М.: Мир, 1980).

В настоящей книге в занимательной и остроумной форме затронуты глубочайшие вопросы современного естествознания. О широте темы сам автор сказал, что диапазон величин, с которыми мы встречаемся в книге, определяется числом с сорока нулями- от 15~15 до 1025 см. Добиваясь наглядности изложения, В. Гильде перемежает рассмотрение сложнейших вопросов (строение материи, загадки Вселенной) забавными рассказами из истории, литературы, техники, спорта и даже детских игр. Уже беглый просмотр оглавления позволяет судить об особенностях авторского стиля: здесь мы обнаружим и «Математику для продавца фруктов», и «Бильярд в космосе», и «Правшу-попугая», и утверждение, что одинаковых яиц не бывает. Однако кажущиеся пестрота и разнообразие тем подчинены строго обдуманному плану. Лейтмотивом всей книги является понятие симметрии, играющей ведущую, хотя и не всегда осознанную, роль в современной науке, искусстве, технике и окружающей нас жизни. Симметрия пронизывает буквально все вокруг, захватывая, казалось бы, совершенно неожиданные области и объекты. Здесь уместно привести высказывание Дж. Ньюмена, который особенно удачно подчеркнул всеохватывающие и вездесущие проявления симметрии: «Симметрия устанавливает забавное и удивительное сродство между предметами, явлениями и теориями, внешне, казалось бы, ничем не связанными: земным магнетизмом, женской вуалью, поляризованным светом, естественным отбором, теорией групп, инвариантами и преобразованиями, рабочими привычками пчел в улье, строением пространства, рисунками ваз, квантовой физикой, скарабеями, лепестками цветов, интерференционной картиной рентгеновских лучей, делением клеток морских ежей, равновесными конфигурациями кристаллов, романскими соборами, снежинками, музыкой, теорией относительности...» (Джаффе Г., Орчин М. Симметрия в химии. - М.: Мир, 1967, с. 14)

Книга В. Гильде, по сути дела, представляет собой широко развернутую иллюстрацию к приведенной цитате. Однако охватить учение о симметрии целиком в научно-популярном очерке невозможно. Поэтому автор заострил внимание на зеркальной симметрии. Такой подход вполне правомерен. Достаточно взглянуть на окружающий нас реальный мир, чтобы убедиться в первостепенном значении именно зеркальной симметрии с соответствующим симметрийным элементом - плоскостью симметрии. В самом деле, форма всех объектов, которые двигаются по земной поверхности или возле нее - шагают, плывут, летят, катятся, - обладает, как правило, одной более или менее хорошо выраженной плоскостью симметрии. Все то, что развивается или движется лишь в вертикальном направлении, характеризуется симметрией конуса, то есть имеет множество плоскостей симметрии, пересекающихся вдоль вертикальной оси. И то и другое объясняется действием силы земного тяготения, симметрия которого моделируется конусом (П. Кюри). Главенствующую роль в теории играет плоскость симметрии. Недаром знаменитый русский кристаллограф Г. В. Вульф (1863-1925) писал (1896) о плоскости симметрии как об «основном элементе симметрии». Комбинируя зеркальные отражения, можно вывести все возможные симметрийные операции. (Теорема А. К. Болдырева: максимальное число необходимых для этого плоскостей сводится к четырем; в частных случаях бывает достаточно и меньшего их числа.) Исходя из этих комбинаций, можно полностью вывести все элементы классической симметрии - простые, сложные и винтовые оси, плоскости простого и скользящего отражения, трансляции. Совокупности таких элементов образуют виды симметрии (например, 32 класса для кристаллических многогранников, 230 пространственных групп для кристаллических структур). Как видим, именно плоскость симметрии лежит в основании всего величественного здания симметрийной теории.

Итак, В. Гильде безусловно прав, обращая внимание в первую очередь на зеркальную симметрию и соответствующий геометрический образ - плоскость симметрии. Его книга очень незаметно вводит нас в сложный мир современной науки с действующими в ней симметрийными законами. Хочется надеяться, что, пройдя эти «врата учености», читатель, увлекшись, захочет углубиться в строго математическое и вместе с тем волшебно прекрасное царство симметрии.

Законы классической симметрии не случайно связаны с именами выдающихся ученых Р. Ж. Гаюи, О. Браве, П. Кюри, И. Ф. X. Гесселя, П. Грота, А. Шенфлиса, в том числе наших соотечественников - А. В. Гадолина, Г. В. Вульфа и гордости отечественной науки- Е. С. Федорова (1853-1919). Исследователями кристаллов внесен наиболее весомый вклад в учение о симметрии. Однако теория шагает все дальше. Известный советский геолог - академик Д. В. Наливкин, изучая палеонтологические объекты, установил для них законы «криволинейной симметрии» с изогнутыми зеркальными плоскостями и осями симметрии. Выдающийся советский кристаллограф академик А. В. Шубников (1887-1970) приписал положительный и отрицательный знаки отдельным фрагментам фигур и ввел операции симметрии, меняющие знак фрагментов («антисимметрия»), а также операцию изменения величины объекта («симметрия подобия»). Академик Н. В. Белов, профессор А. М. Заморзаев и их ученики и последователи основали «цветную симметрию», изменяющую при отражениях в плоскостях или при поворотах вокруг осей цвета фигур. Эти, казалось бы, совершенно фантастические построения ученых находят свое применение при истолковании и уточнении множества физических явлений. Для тех, кто захочет ознакомиться с новейшими открытиями в области симметрии, библиография автора дополнена рядом книг на русском языке.

В заключение хочется выразить надежду, что книга В. Гильде поможет читателю войти в чудесный мир симметрийных законов.

Профессор И. И. Шафрановский, заслуженный деятель науки РСФСР

ПРЕДИСЛОВИЕ

Пока писалась эта книга, мы все - моя жена, сотрудники и я сам - были одержимы симметрией. В окружающих предметах, картинах, животных и растениях нас интересовало главным образом, симметричны ли они или нет, а если симметричны, то в чем именно проявляется в них симметрия. Если кто-то считал, что его соображения могут пойти на пользу задуманной мною книге, то он в устной или письменной форме делился со мной своими мыслями. Всех, оказавших мне помощь, я хотел бы искренне поблагодарить.

Приступая к работе над рукописью, я никак не предполагал, что объем материала окажется столь грандиозным. Герману Вейлю для его знаменитой «Симметрии» понадобилось всего 150 страниц небольшого формата. Но изложение математика, рассчитанное на подготовленную аудиторию, может быть необычайно сжатым и в то же время весьма емким. А научно-популярная книга, подобная той, что предлагается вниманию читателя, своего рода компромисс. Она должна быть одновременно и достаточно занимательной, и достаточно научной; рассчитанная на широкий круг читателей, она не может не отвечать и ряду других дополнительных условий, удовлетворяющих и автора, и редактора, и издательство.

Проблемам симметрии посвящена поистине необозримая литература. От учебников и научных монографий до произведений, апеллирующих не столько к чертежу и формуле, сколько к художественному образу, и сочетающих в себе научную достоверность с литературной отточенностью. Мощным стимулом к изучению проблемы симметрии послужило открытие так называемой двойной спирали (ДНК) - носителя генетической информации. Мне кажется, что оживлению интереса к вопросам симметрии способствовала и современная архитектура.

В предлагаемой книге изложение материала подкреплено соответствующими иллюстрациями, что, на мой взгляд, позволяет раскрыть понятие симметрии во всей его широте.

В заключение я не могу не упомянуть с благодарностью тех, без чьей помощи книга вряд ли увидела бы свет. Кристе Л инке всегда удавалось разбирать мой почерк и с успехом трансформировать его в машинописный текст. Инж. Вальтер Бреннер с большим пониманием исполнил эскизы рисунков. Дорис Шайбе я обязан большинством оригинальных фотографий, использованных в книге. Криста Шкельцигер снабжала меня грудами необходимой литературы. Проф. Хорсту В. Матесу из лаборатории палеозоологии и д-ру Рудольфу Гедике из Университета Мартина Лютера в Галле (Виттенберг) я искренне признателен за предоставленные ь мое распоряжение образцы из их коллекций. Я благодарю также проф. Хорста Вольфграмма из Политехнического отделения Университета Мартина Лютера и д-ра технических наук Зигфрида Альтрихтера из Центрального института сварочной техники в Галле за ценные замечания, сделанные ими в отзывах на рукопись книги. Моя жена читала корректуру, критиковала меня (соблюдая меру) и терпела стопы книг и листы черновиков, разбросанные по нашей гостиной. Я выражаю глубокую признательность всем тем, кто оказал мне помощь в тех или иных частных моментах, в том числе научным учреждениям, предоставившим мне иллюстративный материал.

Вернер Гильде

ЧЕЛОВЕК - СУЩЕСТВО СИММЕТРИЧНОЕ

Не станем пока разбираться, существует ли на самом деле абсолютно симметричный человек. У каждого, разумеется, обнаружится родинка, прядь волос или какая-нибудь другая деталь, нарушающая внешнюю симметрию. Левый глаз никогда не бывает в точности таким, как правый, да и уголки рта находятся на разной высоте, во всяком случае у большинства людей. И все же это лишь мелкие несоответствия. Никто не усомнится, что внешне человек построен симметрично: левой руке всегда соответствует правая и обе руки совершенно одинаковы! Стоп. Здесь стоит остановиться. Если бы наши руки и в самом деле были совершенно одинаковы, мы могли бы в любой момент поменять их. Было бы возможно, скажем, путем трансплантации пересадить левую ладонь на правую руку, или, проще, левая перчатка подходила бы тогда к правой руке, но на самом деле это не так.

Ну конечно, каждому известно, что сходство между нашими руками, ушами, глазами и другими частями тела такое же, как между предметом и его отражением в зеркале. Именно вопросам симметрии и зеркального отражения и посвящена лежащая перед вами книга.

Рост человека в восемь раз больше размера его головы. Общий абрис его тела можно представить в виде простых геометрических фигур

Многие художники обращали пристальное внимание на симметрию и пропорции человеческого тела, во всяком случае до тех пор, пока ими руководило желание в своих произведениях как можно точнее следовать природе. Известны каноны продорций, составленные Альбрехтом Дюрером и Леонардо да Винчи. Согласно этим канонам, человеческое тело не только симметрично, но и пропорционально. Леонардо открыл, что тело вписывается в круг и в квадрат. Дюрер занимался поисками единой меры, которая находилась бы в определенном соотношении с длиной туловища или ноги (такой мерой он считал длину руки до локтя).

В современных школах живописи в качестве единой меры чаще всего принимается размер головы по вертикали. С известным допущением можно считать, что длина туловища превосходит размер головы в восемь раз. На первый взгляд это кажется странным. Но нельзя забывать, что большинство высоких людей отличаются удлиненным черепом и, наоборот, редко можно встретить низкорослого толстяка с головой удлиненной формы.

Человеческую фигуру, отвечающую определенным пропорциям, мы воспринимаем как совершенную (но вовсе не обязательно как привлекательную)

Размеру головы пропорциональна не только длина туловища, но и размеры других частей тела. По этому принципу построены все люди, оттого-то мы в общем похожи друг на друга. (К сходству или подобию мы еще вернемся через несколько страниц.) Однако наши пропорции согласуются лишь приблизительно, а потому люди лишь похожи, но не одинаковы. Во всяком случае, все мы симметричны! К тому же некоторые художники в своих произведениях особенно подчеркивают эту симметрию.

БЕЗУКОРИЗНЕННАЯ СИММЕТРИЯ СКУЧНА

И в одежде человек тоже, как правило, старается поддерживать впечатление симметричности: правый рукав соответствует левому, правая штанина - левой.

Пуговицы на куртке и на рубашке сидят ровно посередине, а если и отступают от нее, то на симметричные расстояния. Лишь изредка женщина обладает достаточной смелостью, чтобы надеть по-настоящему асимметричное платье (насколько сильные отклонения от симметрии допустимы, мы увидим дальше).

Но на фоне этой общей симметрии в мелких деталях мы умышленно допускаем асимметрию, например расчесывая волосы на косой пробор - слева или справа. Или, скажем, помещая на костюме асимметричный кармашек на груди, нередко подчеркнутый еще и платочком. Или надев кольцо на безымянный палец только одной руки. Лишь на одной стороне груди носятся ордена и значки (чаще на левой).

Время от времени у мужчин входят в моду длинные волосы. Альбрехт Дюрер смягчил в своем автопортрете строгую симметрию маленькими отклонениями от нее

Полная безукоризненная симметрия выглядела бы нестерпимо скучно. Именно небольшие отклонения от нее и придают характерные, индивидуальные черты. Знаменитый автопортрет Альбрехта Дюрера на первый взгляд кажется абсолютно симметричным. Но, приглядевшись внимательней, вы заметите маленькую асимметричную деталь, которая и сообщает картине живость и жизненность: прядку волос возле пробора.

И вместе с тем порой человек старается подчеркнуть, усилить различие между левым и правым. В средние века мужчины одно время щеголяли в панталонах со штанинами разных цветов (например, одной красной, а другой черной или белой). А в наши дни были популярны джинсы с яркими заплатами или цветными разводами. Но подобная мода всегда недолговечна. Лишь тактичные, скромные отклонения от симметрии остаются на долгие времена.

ЧТО ТАКОЕ ПОДОБИЕ?

Нередко мы говорим, что какие-то два человека похожи друг на друга. Дети обычно похожи на своих родителей (во всяком случае, по мнению их бабушек). Похожи, но не одинаковы!

Попробуем разобраться, что понимается под сходством или подобием в математике. У подобных фигур соответствующие отрезки пропорциональны друг другу. В нашем случае мы можем сформулировать это положение так: подобные носы имеют одинаковую форму, но могут отличаться размером. При этом каждому отдельному участку носа (например, переносице) должны быть пропорциональны все остальные.

Этот закон подобия иногда таит в себе подвох. Например, в задаче такого рода:

Высота башни А 10 м. На некотором расстоянии X от нее находится шестиметровая башня В. Если провести прямые от подножия и от вершины башни А через вершину башни В, то они встретятся соответственно с подножием и вершиной башни С, имеющей высоту 15м. Каково расстояние от башни А до башни В?

Требуется определить величину отрезка X, исходя из известной высоты трех башен. Как видно из цветного построения, решений здесь существует бесконечное множество. Это типичный пример задачи с 'ловушкой'

Казалось бы, для решения достаточно взять в руки циркуль и линейку. Но тут же выяснится, что ответов будет бесконечное множество. Иными словами, на вопрос о значении X не может быть однозначного ответа.

В этой книге вы нередко будете сталкиваться с задачами, требующими размышлений. В этом есть определенный педагогический смысл. Такого рода задачи, даже если они и не имеют решения, как, например, предложенная выше, касаются какой-либо проблемы, лежащей у пределов нашего знания. Большей частью это те самые пределы, перед которыми пасует знаменитый «здравый смысл», и лишь строго математическое логическое мышление вкупе с естественнонаучным познанием способно привести к правильному решению.

Обратимся снова к человеку: при сравнении живых существ сходство ощущается явно, если совпадают их пропорции. Поэтому могут быть похожи дети и взрослые. Хотя масса и размеры любой из частей тела, будь то нос или рот, различны, но пропорции похожих индивидов совпадают.

Поразительный пример подобия - глазомерная оценка расстояния с помощью большого пальца. Таким способом военные и моряки прикидывают расстояние между двумя пунктами на местности или в море, сопоставляя их с шириной пальца или кулака. В самом простом случае закрывают один глаз и смотрят открытым глазом на палец вытянутой руки, используя его как визир.

При визировании с помощью большого пальца вытянутой руки (один раз левым глазом, а другой - правым) палец 'отскакивает' примерно на 6°

Если раскрыть прежде закрытый глаз (а второй зажмурить), палец на видимое расстояние переместится в сторону. В градусном выражении это расстояние составляет 6°. И притом величина этого «прыжка» (в пределах допустимой ошибки) одинакова у всех людей! Так, правофланговый роты, парень двухметрового роста, и самый маленький - левофланговый, ростом всего лишь метр шестьдесят, сравнив эти «прыжки» пальца, получат одну и ту же величину.

Причина этого явления в конечном счете кроется в подобии людей и, конечно, в законах оптики, которым подчиняется наше зрение.

Известно и «правило кулака» - в самом прямом смысле этого слова - для грубой прикидки величины угла. Если мы посмотрим одним глазом на кулак вытянутой руки (на сей раз одним и тем же глазом), то ширина кулака составит 10°, а расстояние между двумя косточками фаланг 3°. Кулак и оттопыренный в сторону большой палец составят 15°. Комбинируя эти мерки, можно приблизительно измерить все углы на местности.

При помощи кулака вытянутой руки легко найти три основных угла. Комбинируя их, можно определять другие углы

И наконец, еще одна угловая мера нашего тела, которая может пригодиться при домашних работах. Угол между большим пальцем и мизинцем растопыренной ладони составляет 90°. Это кажется маловероятным, но вы можете тотчас проверить все сами, приложив растопыренные пальцы ладони к углу нашей книги. Положите мизинец строго параллельно одному краю и двигайте руку вдоль него вниз, пока большой палец также не ляжет на нижний край. Убедились?

Конечно, здесь ошибка порой оказывается сравнительно большой, так как в зависимости от возраста и разработанности кисти большой палец может отставляться на различные расстояния. Но для первого испытания, позволяющего решить, существенно ли отклоняется измеряемый угол от прямого, такой метод вполне пригоден.

ЛАЙНЛАНДИЯ И ФЛАТЛАНДИЯ

Люди, наделенные воображением, уже давно обратили внимание на то, что законы конгруэнтности, столь строгие для двумерного пространства, при применении на практике нередко требуют использования третьего измерения.

Когда сервируют стол к парадному приему гостей, салфетки обычно складывают треугольником. Но стоит собрать эти треугольники в стопку, один на другой, как обнаруживается, что треугольников этих два вида: одни сразу же «подходят» друг к другу, а другие приходится перевернуть «на правильную сторону». Аналогичная проблема возникает и при штамповке мелких деталей, когда кто-нибудь пытается сложить готовую продукцию в штабеля.

Поэтам и писателям свойственно фантазировать вокруг более или менее вероятных ситуаций. Так, существуют произведения, в которых рисуется жизнь в двумерном пространстве (где «салфетку» никак не перевернешь).

Некоторые авторы идут еще дальше и пробуют представить себе жизнь в одномерном пространстве, в Стране Прямой - Лайнландии. Лайнландия населена лишь тоненькими деревянными палочками, которые в простейшем случае ничем друг от друга не отличаются. Однако стоит придать им головки (сразу вспоминаются спички!), и у них тут же появляются две возможности.

Если флатландцам захочется взглянуть друг на друга, одному из них придется встать на голову. Дома во Флатландии требуют особой конструкции дверей

Либо все спички обращены головками в одну сторону - тогда их совмещение не вызывает сложностей. Либо часть спичек лежит головками налево, а часть - головками направо. Математик из Лайнландии не имеет практической возможности перевести «левые» спички в «правые». Но математик из Страны Плоскости - Флатландии, который располагает еще одним измерением, сразу найдет простое решение: повернет спичку в плоскости.

Однако, по мнению некоторых писателей, жизнь и во Флатландии не так-то проста. Представим себе, что жители этой страны маленькие прямоугольники с глазом (а глаз у них только один) в одном из углов. Видеть такой прямоугольник может, конечно, только в плоскости, и ему никогда не удается взглянуть на эту плоскость сверху. Так что ни один флатландец никогда не сможет представить себе, как на самом деле он выглядит: для этого уже необходим взгляд из трехмерного пространства. Домики у флатландцев были бы примерно такими, как на детских рисунках. С той разницей, что двери находились бы сбоку и открывались бы только в этой же плоскости. Но вот дверные петли пришлось бы делать вне плоскости, выше или ниже ее. Кроме того, понадобилась бы сложная система подпорок, чтобы стена домика не рухнула, когда его обитатели захотели бы открыть дверь. А двое флатландцев смогли бы взглянуть друг на друга лишь в том случае, если бы одному из них удалось встать на голову.

Грузы во Флатландии перевозятся на кругах. Постройка платформы или тележки там невозможна: ведь для устройства оси и ее крепления необходимо третье измерение

Положение усложнилось бы еще больше, если бы Флатландию населяли два народца. Скажем, лево- и правосторонние флатландцы. Требуется большое воображение, чтобы живописать все возможные последствия такой ситуации, особенно если учесть, что мы-то привыкли мыслить в трех измерениях!

Поскольку и Лайнландия, и Флатландия представлялись писателям в юмористическом свете, не приходится удивляться, что литература на эту тему возникла в Англии.

В 1880г. английский педагог Эдвин Эбони Эбботт написал книгу о Флатландии и ее жителях (Эбботт Э. Э. Флатландия. В кн.: Эбботт Э. Э. Флатландия. Бюргер Д. Сферландия. -М.: Мир, 1976). Флатландец Эбботта, попав во сне в Лайнландию, тщетно пытается убедить тамошних обитателей в существовании плоскости.

По ходу действия одному из флатландцев удается познать трехмерное пространство, за что его признают «безумнейшим из безумных».

Через двадцать с лишним лет, в 1907 г., Ч. Г. Хинтон опубликовал роман «Случай во Флатландии». В нем два флатландских народца ведут войну. Поскольку все флатландцы обращены лицом в одну сторону, один из народцев всегда в безнадежном проигрыше: он не может повернуться и нанести ответный удар в нужном направлении - ненавистный враг постоянно сидит у него на шее. Но в конце концов добро побеждает. Какая-то умная голова замечает, что Флатландия расположена на шарике и, значит, можно, обежав вокруг него, зайти врагу в тыл.

Автор романа строит свой рассказ в молчаливом предположении, что флатландцы могут двигаться только по определенным генеральным направлениям, исключающим обход сбоку, а опрокинуть врага через голову для них невозможно.

Как видно, по поводу жизни в двумерном пространстве выдвигались самые изощренные теории, однако они никогда не находили приложения. Надо думать, и эти книги, и их авторы были бы давно позабыты, если бы Лайнландия и Флатландия не были так нужны для пояснения теории зеркального отражения и если бы составителям задач на сообразительность не приходилось все снова и снова обращаться к Флатландии, чтобы извлекать идеи из ее двумерия (кстати, не так давно в Венгрии был создан мультфильм о путешествии школьника Адоляра во Флатландию).

В числе прочего флатландцы перевозят грузы, накатывая платформы на круги. Всякий раз, когда груз минует круг, тамошний транспортный служащий перекатывает этот круг вперед и ставит перед платформой.

Здесь возникает множество любопытных задач. Но нас интересует только одна: если ось колеса движется со скоростью 10 м в минуту, с какой скоростью движется груз?

О нашем земном автомобиле мы знаем, что ни одно колесо (точнее, ни одна колесная ось) не может двигаться скорее, чем весь автомобиль. Но у флатландского автомобился колесо не связано жестко с грузом. Подумав, нетрудно сообразить, что груз здесь участвует в двух движениях.

Сумма углов треугольника, расположенного на шаровой поверхности, может превышать 180°

Во-первых, он движется вместе с осью вращения колеса (это так же, как и у автомобиля). А кроме того, груз еще катится по окружности колеса, и при этом со скоростью, тоже равной скорости вращения оси. Следовательно, в целом груз катится с двойной скоростью по отношению к скорости колеса. Разумеется, груз должен двигаться скорее уже потому, что колеса все время остаются позади и их приходится постоянно переставлять вперед.

Некоторые читатели подумают: «Задачка действительно занятная, ну и что из того?»

Однако принцип действия флатландского транспорта находит себе место и в нашей технике. Так, конструктор, проектируя дверь в небольшом помещении (например, у маленького лифта), вынужден отказаться от шарниров. Он делит дверь на две половинки (если, конечно, додумается до такой уловки!), которые ходят параллельно друг перед другом. Одна половинка двери неподвижно скреплена с осью ролика, а вторая двигается по окружности этого ролика. Пока одна половинка сдвигается на половинку ширины двери, другая успевает перебежать всю ширину дверного проема (с удвоенной скоростью).

Не станем смотреть на Флатландию и на писательские фантазии свысока. Предположим, что флатландцы действительно проживают на поверхности шара. Поверхность эта столь велика, что жители могут не заметить ее кривизны. Естественно, они думают, что живут на плоскости, так как шара представить себе не могут: ведь третье измерение им в принципе незнакомо. Поэтому профессора-флатландцы развивают флатландскую математику, которая изучается в школах. Дети там зазубривают, например, такое определение: две параллельные прямые пересекаются на конечном расстоянии. Или: сумма углов треугольника превышает 180°. Мы же, люди трехмерного пространства, знаем, что шаровая поверхность представляет собой двумерное неевклидово пространство, которое не укладывается в привычную евклидову геометрию.

Посмотрев на глобус, мы видим, что два меридиана, параллельные у экватора, на полюсе пересекаются. Глядя на глобус, можно убедиться и в том, что два меридиана образуют с экватором угол 90°. У точки пересечения на полюсе возникает еще один угол. И сумма всех трех углов в любом случае больше 180°. Но бедные флатландцы, конечно, не могут и предположить всего этого. Они-то уверены, что живут на плоскости.

Один скептически настроенный математик, Карл Фридрих Гаусс (1777-1855), всерьез задумался над тем, не в положении ли флатландцев находимся и мы, люди. Возможно, думал Гаусс, мы тоже живем в неевклидовом мире, но только не замечаем этого. Если бы это было так, пространство было бы искривлено (чего бы мы, конечно, не могли себе представить), и у достаточно большого треугольника сумма углов отличалась бы от 180°. Гаусс измерил треугольник между Брокеном, Инзельбергом и Высоким Хагеном, но не нашел существенного отклонения от 180°. Это, конечно, не могло служить бесспорным доказательством, так как треугольник все равно мог оказаться слишком мал.

Впрочем, нельзя просто так сравнивать неевклидово пространство, о котором шла речь, с пространством в теории относительности. Мы с вами, флатландцы и Гаусс ведем речь о чисто геометрической, пространственной проблеме и о том, справедливы ли определенные аксиомы (к примеру, о пересечении двух параллельных прямых в бесконечности). Приверженцы теории относительности в качестве четвертой пространственной координаты вводят время.

О КОНГРУЭНТНОСТИ

Две плоские фигуры конгуэнтны, если у них все углы и отрезки прямых между соответствующими точками равны.

В школе мы изучаем теоремы о конгуэнтно-сти треугольников. Установлено, например, что площади треугольников равны, если у них одна сторона и прилежащие к ней два угла совпадают. Это означает, что, хотя для построения треугольников можно использовать сторону и два прилежащих к ней угла, совпадать треугольники должны всеми своими частями.

В разговорной речи (которой мы и пользуемся в этой книге) можно сказать, что конгруэнтные плоскости точно накладываются друг на друга или, наоборот, если одна плоская фигура точно наложима на другую, то они конгруэнтны. То же самое справедливо и для трехмерных тел: если их можно совместить, то они конгруэнтны.

Три изображенных здесь черных треугольника конгруэнтны. Оба левых треугольника можно совместить непосредственно. Правый же треугольник нельзя совместить с левым ни путем простого смещения, ни путем поворота в плоскости листа. Его надо для этого повернуть в пространстве

Посмотрите на треугольники, изображенные на рисунке. Все они конгруэнтны. Очевидно, что оба треугольника, помещенные слева, совместятся, если их попросту передвинуть. А вот треугольник, помещенный справа, хотя и конгруэнтен с двумя левыми, но совместить его с ними только передвижением в плоскости мы не сможем. Как бы мы ни вертели его в плоскости, он никогда не совместится ни с одним из левых треугольников. Чтобы достичь этого, нужно приподнять треугольник над плоскостью, повернуть его в пространстве и снова положить на плоскость. Но если мы сравним взаимное расположение треугольников, совмещенных путем сдвига и перевертывания, то увидим, что в обоих случаях совпадают их разные стороны. При сдвиге нижняя поверхность одного бумажного треугольника накладывается на верхнюю поверхность второго треугольника. Пространственная ориентировка поверхности бумажного листа не изменилась. В этом случае говорят о тождественной конгруэнтности. Если при повороте в пространстве совмещаются обе верхние поверхности бумаги, плоские фигуры называются зеркально-конгруэнтными.

Конгруэнтными называются плоские фигуры, которые мы воспринимаем как равные и которые можно совместить друг с другом путем сдвига в плоскости или поворота в пространстве.

КОНГРУЭНТНОСТЬ ТРЕУГОЛЬНИКОВ

Конгруэнтность - свойство геометрических плоских фигур совпадать между собой по величине и по форме.

Тождественно-конгруэнтными являются фигуры, которые можно совместить друг с другом путем поворота и(или) сдвига.

Зеркально-конгруэнтными являются фигуры, для совмещения которых необходима дополнительно операция зеркального отражения.

Существует четыре признака конгруэнтности треугольников. Треугольники конгруэнтны, если:

1) три стороны одного треугольника равны трем сторонам другого (S, S, S);

2) две стороны и заключенный между ними внутренний угол одного треугольника равны двум сторонам и заключенному между ними внутреннему углу другого треугольника (S, W, S);

3) две стороны и противолежащий большей из них внутренний угол одного треугольника равны двум сторонам и противолежащему большей из них углу другого треугольника (S, S, W);

4) сторона и оба прилежащих к ней внутренних угла одного треугольника равны стороне и обоим прилежащим к ней внутренним углам другого треугольниками (W, S, W).

ПОДОБИЕ

Совпадение плоских фигур по форме, но не по величине называется подобием.

Каждому углу одной из фигур соответствует равновеликий угол подобной фигуры.

В подобных фигурах соответственные отрезки пропорциональны.

Путем сдвига, поворота и (или) зеркального отражения можно привести две подобные фигуры в положение гомотетии. В этом положении соответственные стороны обеих фигур параллельны между собой.

ОСЕВАЯ СИММЕТРИЯ

Пусть плоскость разделена прямой s на две полуплоскости. Если теперь повернуть одну полуплоскость вокруг прямой 5 на 180°, то все точки этой полуплоскости совместятся с точками другой полуплоскости.

Прямая s называется осью симметрии.

Осевая симметрия

Ввиду того что точки на перевернутой полуплоскости находятся в зеркальном положении по отношению к их первоначальному положению, это переворачивание называют также зеркальным отражением. Если нанести на одну полуплоскость линии, указывающие какие-то направления вращения, то после зеркального отражения это направление изменится на противоположное. Следовательно, одна операция зеркального отражения создает зеркально-конгруэнтные фигуры. Две такие операции приводят к тождественно-конгруэнтным фигурам. Они соответствуют сдвигу, или повороту.

РАДИАЛЬНАЯ СИММЕТРИЯ

Радиально-симметричные фигуры могут быть совмещены друг с другом путем вращения вокруг точки S. Эта точка называется центром симметрии.

При вращении соответственные точки фигур совмещаются. Направление вращения не меняется. Фигура, отраженная таким способом, является тождественно-конгруэнтной.

Радиальная симметрия

Последующие операции вращения никак не повлияют на тождественность фигур. При угле поворота, равном 180°, говорят о центральной симметрии.

ТРЮК С КУБИКАМИ

Педагоги утверждают, что игра с кубиками развивает пространственное воображение. И вот родители покупают своим отпрыскам ящики с яркими кубиками, оклеенными фрагментами картинок из популярных сказок. Сложив эти кубики нужным образом, вы увидите Красную Шапочку с Серым Волком или Белоснежку с семью гномами.

На самом деле такого рода кубики и головоломки развивают пространственное воображение не только у детей, но и у всех - от мала до велика. Иногда нам доводится складывать куб из различной формы чурбачков.

При ближайшем рассмотрении этих отдельных элементов оказывается, что по меньшей мере два из них имеют одинаковые форму и размеры, но относятся друг к другу как левая и правая перчатки. Создатели головоломок такого рода, очевидно, надеются, что играющие не сразу уловят это различие. Если припомнить, сколько раз мы путали правые и левые перчатки, придется признать, что такие надежды не лишены основания.

Совместить эти элементы практически невозможно. Следует заметить, что, употребляя здесь (или где-то ниже) выражение «практически возможно», мы имеем в виду осуществление подобного задания на практике.

В машинном отделении корабля двигатели имеют симметричное расположение

Но ведь существуют еще и математические или физические методы, позволяющие совмещать элементы хотя бы теоретически или по внешним признакам, - это и явится предметом дальнейшего рассмотрения. И поскольку здесь говорилось о совмещении одного элемента с другим, следует особо отметить одно важное обстоятельство. Во Флатландии можно было бы совместить плоские фигуры, вынув их из плоскости и повернув в пространстве. В Лайнландии точно так же понадобилось бы всего одним измерением больше: один поворот в плоскости, и отрезки становятся совместимыми.

Но пространственные постройки мы можем повернуть только в пространстве! А поскольку четвертое измерение, несмотря на все рассуждения Гаусса, для нас закрыто, трудно даже вообразить, как практически (!) можно развернуть наши «кирпичики» где-то, помимо трехмерного пространства, чтобы они совместились друг с другом!

В повседневной жизни нам очень часто приходится решать подобные головоломки (я подчеркиваю: именно решать практически, а не играть!), например при упаковке различных предметов. Или, к примеру, представьте себе радиаторы центрального отопления. У одних из них вентиль для регулировки находится слева, у других - справа. Каким образом соединить несколько радиаторов в одну батарею?

Холодильники, кухонные плиты и другие предметы домашнего обихода обычно исполняются с право- и левосторонним расположением ручек, ключей, кранов. Фантастическая возможность поворота подобных предметов в четвертом измерении очень порадовала бы всех, кто имеет дело с их перевозкой и установкой.

ЗАГЛЯНИТЕ В СЛОВАРЬ!

В начале книги мы назвали человека существом симметричным. В дальнейшем же термин «симметрия» больше не употреблялся. Однако вы уже, наверное, заметили, что во всех случаях, когда отрезки прямой, плоские фигуры или пространственные тела были подобными, но без дополнительных действий совместить их было нельзя, «практически» нельзя, мы встречались с явлением симметрии. Эти элементы соответствовали друг другу, как картина и ее зеркальное отражение. Как левая и правая рука. Если мы возьмем на себя труд заглянуть в «Словарь иностранных слов», то обнаружим, что под симметрией понимается «соразмерность, полное соответствие в расположении частей целого относительно средней линии, центра... такое расположение точек относительно точки (центра симметрии), прямой (оси симметрии) или плоскости (плоскости симметрии), при котором каждые две соответствующие точки, лежащие на одной прямой, проходящей через центр симметрии, на одном перпендикуляре к оси или плоскости симметрии, находятся от них на одинаковом расстоянии...» (Словарь иностранных слов: Изд. 7-е, переработанное. -М.; Русский язык 1980, с. 465)

И это еще не все, как часто бывает с иностранными словами, значений у слова «симметрия» существует множество. В том-то и состоит преимущество подобных выражений, что их можно использовать в случае, когда не хотят дать однозначное определение или просто не знают четкого различия между двумя предметами.

При всей прихотливости формы цветок орхидеи симметричен

Термин «соразмерный» мы применяем по отношению к человеку, картине или какому-либо предмету, когда мелкие несоответствия не позволяют употребить слово «симметричный».

Раз уж мы роемся в справочниках, давайте заглянем в Энциклопедический словарь (Советский энциклопедический словарь - М.: Советская энциклопедия, 1980, с. 1219-1220). Мы обнаружим здесь шесть статей, начинающихся со слова «симметрия». Кроме того, это слово встречается во множестве других статей.

В математике слово «симметрия» имеет не меньше семи значений (среди них симметричные полиномы, симметрические матрицы). В логике существуют симметричные отношения. Важную роль играет симметрия в кристаллографии (кое-что об этом вы еще прочтете в этой книге). Интересно интерпретируется понятие симметрии в биологии. Там описывается шесть различных видов симметрии. Мы узнаем, например, что гребневики дисимметричны, а цветки львиного зева отличаются билатеральной симметрией. Мы обнаружим, что симметрия существует в музыке и хореографии (в танце). Она зависит здесь от чередования тактов. Оказывается, многие народные песни и танцы построены симметрично.

Цветы кальцеолярии симметричны. Ось симметрии проходит вдоль стебля

Итак, надо договориться, о какой именно симметрии пойдет у нас речь. Независимо от характера рассматриваемых предметов основной интерес для нас будет представлять зеркальная симметрия - симметрия левого и правого. Мы увидим, что это кажущееся ограничение уведет нас далеко в мир науки и техники и позволит время от времени подвергать испытанию способности нашего мозга (так как именно он запрограммирован на симметрию).

ИГРА В ТОЧКИ И ЛИНИИ

Мы еще не ушли от Лайнландии и Флатландии. И на то есть особая причина. Если даже там и нет обитателей, то сами-то прямые и плоскости вполне реальны!

Поразмыслим, как обстоит с симметрией на прямой. С помощью двух спичек мы можем очень просто представить себе два возможных случая. (Некоторые стороны этой ситуации мы уже рассмотрели раньше.) Спички могут лежать головками в одну сторону. Тогда они легко совмещаются. Или же головками (или кончиками) друг к другу. В этом случае на прямой существует точка, в которой зеркало можно поставить таким образом, что наступит кажущееся совмещение спички со своим отражением. Другими словами, на прямой существует центр симметрии. Нам придется представить, что зеркало уместилось в одной точке и в нем отражается половинный отрезок прямой. В математических рассуждениях это вполне возможно.

Плоские фигуры 'отражаются' в осях симметрии

При построениях на плоскости наше зеркало может по-прежнему оставаться точкой, а может быть и прямой. Наверное, правильнее сказать в обратном порядке: зеркалом будет служить прямая или точка. Ведь если где-то есть прямая, то на ней возможен точечный центр симметрии.

Зеркальные отражения половинок плоскостей выглядят так же, как и реальные плоскости: путем поворота плоскости вокруг прямой - зеркала - ее можно совместить с отражением, отсюда и возникло выражение «ось симметрии».

Круг имеет бесконечное множество осей симметрии. 'Лист клевера' - только одну

Итак, мы знаем теперь, что представляют собой центр симметрии и ось симметрии, а также то, что какой-то предмет (возьмем это нейтральное слово) является симметричным, если одна его половина соотносится с другой, как изображение и его зеркальное отражение.

У круга имеется бесконечное множество осей симметрии, и все они проходят через общий центр симметрии. У других фигур число осей симметрии конечно, но все равно все оси (две их или больше) проходят через центр симметрии. Это значит, что мы можем развернуть фигуру на какой-то определенный угол (максимально на 180°) и она снова ляжет точно на то же место, что и до вращения.

Продолжим свои рассуждения о зеркальной симметрии. Легко установить, что каждая симметричная плоская фигура может быть с помощью зеркала совмещена сама с собой. Достойно удивления, что такие сложные фигуры, как пятиконечная звезда или равносторонний пятиугольник, тоже симметричны. Как это вытекает из числа осей, они отличаются именно высокой симметрией. И наоборот: не так просто понять, почему такая, казалось бы, правильная фигура, как косоугольный параллелограмм, несимметрична. Сначала представляется, что параллельно одной из его сторон могла бы проходить ось симметрии. Но стоит мысленно попробовать воспользоваться ею, как сразу убеждаешься, что это не так. Несимметрична и спираль.

Как ни странно, такая 'симметричная' с виду фигура, как параллелограмм, не имеет не только осей симметрии, но и зеркальной симметрии вообще

В то время как симметричные фигуры полностью соответствуют своему отражению, несимметричные отличны от него: из спирали, закручивающейся справа налево, в зеркале получится спираль, закручивающаяся слева направо. Это свойство нередко используется в массовых играх и соревнованиях, проводимых телевидением. Играющим предлагается, глядя в зеркало, нарисовать какую-либо несимметричную фигуру, например спираль. А потом еще раз нарисовать «точно такую же» спираль, но уже без зеркала. Сравнение обоих рисунков показывает, что спирали получились разные: одна закручивается слева направо, другая - справа налево.

Но то, что здесь выглядит шуткой, в практической жизни доставляет массу сложностей не только детям, но и взрослым. Нередко дети пишут некоторые буквы «навыворот». Латинское N выглядит у них как И, вместо S и Z получается S и Z. Если мы внимательно посмотрим на буквы латинского алфавита (а это ведь тоже, в сущности, плоские фигуры!), то увидим среди них симметричные и несимметричные. У таких букв, как N, S, Z, нет ни одной оси симметрии (равно как и у F, G, J, L, Р, Q и R). Но N, S и Z особенно легко пишутся «наоборот» (Они обладают центром симметрии. - Прим. ред). У остальных прописных букв есть как минимум по одной оси симметрии. Буквы А, М, Т, U, V, W и Y можно разделить пополам про дольной, осью симметрии. Буквы В, С, D, Е, I, К - поперечной осью симметрии. У букв Н, О и X имеется по две взаимно перпендикулярные оси симметрии.

Буквы в трех верхних рядах асимметричны. У остальных букв имеется по меньшей мере одна ось симметрии

Если вы поместите буквы перед зеркалом, расположив его параллельно строке, то заметите, что те из них, у которых ось симметрии проходит горизонтально, можно прочесть и в зеркале. А вот те, у которых ось расположена вертикально или отсутствует вовсе, становятся «нечитабельными».

И в природе, и в архитектуре оси симметрии служат опорными элементами или элементами стиля. Раковина

Вопрос, почему буквы с продольной осью ведут себя иначе, чем с поперечной, довольно интересен. Возможно, и вы задумаетесь над ним. Причину этого явления мы еще обсудим в дальнейшем.

И в природе, и в архитектуре оси симметрии служат опорными элементами или элементами стиля. Морской еж

Встречаются дети, которые пишут левой рукой, и все буквы получаются у них в зеркальном, отраженном, виде. «Зеркальным шрифтом» написаны дневники Леонардо да Винчи. Вероятно, не существует веского основания, заставляющего нас писать буквы именно так, как это делаем мы. Вряд ли зеркальным шрифтом труднее овладеть, чем нашим обычным.

И в природе, и в архитектуре оси симметрии служат опорными элементами или элементами стиля. Гавана

Правописание от этого не стало бы проще, а некоторые слова, как, например, ОТТО, вообще не изменились бы. Существуют языки, в которых начертание знаков опирается на наличие симметрии. Так, в китайской письменности иероглиф розначает именно истинную середину.

И в природе, и в архитектуре оси симметрии служат опорными элементами или элементами стиля. Дворец и парк Сан-Суси

В архитектуре оси симметрии используются как средства выражения архитектурного замысла. В технике оси симметрии наиболее четко обозначаются там, где требуется оценить отклонение от нулевого положения, например на руле грузовика или на штурвале корабля.

НАШ МИР В ЗЕРКАЛЕ

Из Лайнландии мы вынесли представление о центре симметрии, а из Флатландии - об оси симметрии. В трехмерном мире пространственных тел, где мы с вами живем, соответственно существуют плоскости симметрии. «Зеркало» всегда имеет на одно измерение меньше, чем мир, который оно отражает. При взгляде на круглые тела сразу видно, что они имеют плоскости симметрии, но вот сколько именно - решить не всегда просто.

Поставим перед зеркалом шар и начнем его медленно вращать: изображение в зеркале никак не будет отличаться от оригинала, конечно в том случае, если шар не имеет каких-либо отличительных признаков на своей поверхности. Шарик для пинг-понга обнаруживает бессчетное множество плоскостей симметрии. Возьмем нож, отрежем половину шара и поместим ее перед зеркалом. Зеркальное отражение вновь дополнит эту половинку до целого шарика.

Симметричные тела имеют одну или несколько плоскостей симметрии. Шар или тело, основанием которого служит полусфера или круг, имеет бесконечное множество плоскостей симметрии

Но если мы возьмем глобус и рассмотрим его симметрию, учитывая нанесенные на нем географические контуры, то мы не отыщем ни одной плоскости симметрии.

Во Флатландии фигурой с бесчисленным множеством осей симметрии был круг. Поэтому нас не должно удивлять, что в, пространстве аналогичные свойства присущи шару. Но если круг является единственным в своем роде, то в трехмерном мире имеется целый ряд тел, обладающих бесконечным множеством плоскостей симметрии: прямой цилиндр с кругом в основании, конус с круговым или полусферическим основанием, шар или сегмент шара. Или возьмем примеры из жизни: сигарета, сигара, стакан, конусообразный фунтик с мороженым, кусочек проволоки, труба.

Если мы повнимательней присмотримся к этим телам, то заметим, что все они так или иначе состоят из круга, через бесконечное множество осей симметрии которого проходит бесчисленное множество плоскостей симметрии. Большинство таких тел (их называют телами вращения) имеют, конечно, и центр симметрии (центр круга), через который проходит по меньшей мере одна ось симметрии.

Из правильных конгруэнтных плоских фигур можно построить пять Платоновых тел

Отчетливо видна, например, ось у конуса фунтика с мороженым. Она проходит от середины круга (торчит из мороженого!) до острого конца конуса-фунтика. Совокупность элементов симметрии какого-либо тела мы воспринимаем как своего рода меру симметрии. Шар, без сомнения, в отношении симметрии является непревзойденным воплощением совершенства, идеалом. Древние греки воспринимали его как наиболее совершенное тело, а круг, естественно, как наиболее совершенную плоскую фигуру.

В целом эти представления вполне приемлемы и по сей день. Далее греческие философы делали вывод о том, что Вселенная, несомненно, должна быть построена по образцу математического идеала. Из этого заключения проистекали ошибки, о последствиях которых мы еще расскажем. Ясно, что у древних греков еще не было фунтиков с мороженым! Иначе бы такой прозаический предмет, имеющий бесчисленное множество плоскостей симметрии, мог бы нарушить их стройную систему.

Если для сравнения мы рассмотрим куб, то увидим, что он имеет девять плоскостей симметрии. Три из них делят его грани пополам, а шесть проходят через вершины. По сравнению с шаром это, конечно, маловато.

А имеются ли тела, занимающие по числу пло.скостей промежуточное положение между шаром и кубом? Без сомнения - да. Стоит только вспомнить, что круг, в сущности, как бы состоит из многоугольников. Мы проходили это в школе при вычислении числа π. Если над каждым n-угольником мы воздвигнем n-угольную пирамиду, то сможем провести через нее n плоскостей симметрии.

Куб располагает девятью плоскостями симметрии

Можно было бы придумать 32-гранную сигару, которая имела бы соответствующую симметрию!

Но если мы тем не менее воспринимаем куб как более симметричный предмет, чем пресловутый фунтик с мороженым, то это связано со строением поверхности. У шара поверхность всего одна. У куба их шесть - по числу граней, и каждая грань представлена квадратом. Фунтик с мороженым состоит из двух поверхностей: круга и конусообразной оболочки.

Более двух тысячелетий (вероятно, благодаря непосредственному восприятию) традиционно отдается предпочтение «соразмерным» геометрическим телам. Греческий философ Платон (427-347 до н. э.) открыл, что из правильных конгруэнтных плоских фигур можно построить только пять объемных тел.

Из четырех правильных (равносторонних) треугольников получается тетраэдр (четырехгранник). Из восьми правильных треугольников можно построить октаэдр (восьмигранник) и, наконец, из двадцати правильных треугольников - икосаэдр. И только из четырех, восьми или двадцати одинаковых треугольников можно получить объемное геометрическое тело. Из квадратов можно составить только одну объемную фигуру - гексаэдр (шестигранник), а из равносторонних пятиугольников - додекаэдр (двенадцатигранник).

А что в нашем трехмерном мире полностью лишено зеркальной симметрии?

Если во Флатландии это была плоская спираль, то в нашем мире таковыми, безусловно, будут винтовая лестница или спиральный бур. Кроме того, существуют еще тысячи асимметричных вещей и предметов в окружающей нас жизни и технике. Как правило, винт имеет правую резьбу. Но иногда встречается и левая. Так, для большей безопасности баллоны с пропаном снабжены левой резьбой, чтобы к ним нельзя было привинтить вентиль-редуктор, предназначенный, например, для баллона с другим газом. В повседневной жизни это означает, что в кемпинге, прежде чем готовить на походной плитке, надо всегда попробовать, в какую сторону отвинчивается баллон.

Между шаром и кубом, с одной стороны, и винтовой лестницей, с другой, существует еще масса степеней симметрии. От куба можно постепенно отнимать плоскости симметрии, оси и центр, пока мы не придем к состоянию полной асимметрии.

Почти у конца этого ряда симметрии стоим, мы, люди, с всего единственной плоскостью симметрии, разделяющей наше тело на левую и правую половины. Степень симметрии у нас такая же, как, например, у обычного полевого шпата (минерала, образующего вместе со слюдой и кварцем гнейс или гранит).

ПЯТЬ ПЛАТОНОВЫХ ТЕЛ

Для правильных многогранников справедливы следующие утверждения:

1. В любом многограннике (в том числе и правильном) сумма всех углов между ребрами, сходящимися в одной вершине, всегда меньше 360°.

2. По теореме Эйлера для выпуклых многогранников

e+ƒ-k=2,

где е - число вершин, ƒ - число граней и k - число ребер.

Гранями правильных многогранников могут быть лишь следующие правильные многоугольники:

3, 4 или 5 равносторонних треугольников с углом 60°. Шесть таких треугольников дают уже 60° Х 6 = 360° и, следовательно, не могут ограничивать многогранный угол.

Три квадрата (90° X 3 = 270°), 3 правильных пятиугольника (108° X 3 = 324°), 3 правильных шестиугольника (120° X 3 = 360°) ограничивают многогранный угол.

Из теоремы Эйлера и формы граней следует, что существует только 5 правильных многогранников:

< border="1"> Таблица пяти правильных многогранников Формы граней Число Платоновы тела граней в одной вершине вершин граней ребер Равносторонние треугольники 3 4 4 6 Тетраэдр То же 4 6 8 12 Октаэдр То же 5 12 20 30 Икосаэдр Квадраты 3 8 6 12 Гексаэдр (куб) Правильные пятикгольники 3 20 12 20 Пентагон-додекаэдр

(Любая грань Пентагон-додекаэдра представляет собой пятиугольную фигуру, у которой четыре стороны равны между собой, но отличны от пятой. - Прим. перев)

КАК ОТРАЖАЕТ ЗЕРКАЛО?

Конечно, все мы знаем, как отражает зеркало, но, если только потребуется описать это точно, несомненно возникнут трудности. Как правило, мы довольны собой, если что-то представляем себе хотя бы «в принципе». А подробности, которые преподаватели физики объясняли нам на доске с помощью мела и линейки, всякий нормальный школьник и студент стараются забыть, и, чем скорее, тем лучше.

Каждый ребенок, исполненный удивления перед окружающим миром, непременно заинтересуется, каким образом зеркало отражает его. Но взрослые обычно отвечают в подобных случаях: «Не задавай глупых вопросов!» Человек сникает, начинает стесняться, удивление его постепенно затухает, и он старается больше не проявлять его до конца жизни (а жаль!).

Но в этой книге мы будем как можно больше удивляться, памятуя о словах Бертольда Брехта: «Глупых вопросов не бывает, бывают только глупые ответы».

Какой путь от горящего дома до стоянки пожарной команды кратчайший? 'Угол падения', под которым пожарная машина достигнет реки, должен быть равен 'углу отражения', под которым она помчится к месту пожара

Конечно, людей можно разделить на дураков и умных, на больших и маленьких, они разнятся по языку, вероисповеданию, мировоззрению. Можно представить себе и такой способ подразделения:

1)люди, которые никогда не удивляются;

2) люди, которые удивляются, но не задумываются над удивившим их явлением;

3) люди, которые, удивившись, спрашивают «а почему?»;

4) люди, которые, удивившись, обращаются к числу и мере.

В зависимости от условий жизни, традиций, степени образованности встречаются и все возможные «промежуточные» ступени. Мыслители античности и средневековья изумлялись миру и думали о его тайнах. Но им лишь изредка выпадал случай измерить какое-либо явление.

Только в эпоху Возрождения, то есть в XVI в., люди пришли к убеждению, что измерение лучше слепой веры или схоластических рассуждений. Этому способствовали экономические интересы, удовлетворить которые можно было только путем развития естественных наук, путем количественных измерений. (Мы видим, что, по существу, меновая стоимость «измерялась» с помощью денег.) Для XVI в. оптика была ультрасовременной наукой. Из стеклянного шара, наполненного водой, которым пользовались как фокусирующей линзой, возникло увеличительное стекло, а из него микроскоп и подзорная труба. Крупнейшей в те времена морской державе Нидерландам требовались для флота хорошие подзорные трубы, чтобы загодя рассмотреть опасный берег или вовремя уйти от врага. Оптика обеспечивала успех и надежность навигации. Поэтому именно в Нидерландах многие ученые занимались ею. Голландец Виллеброрд, Снелль ван Ройен, именовавший себя Снеллиусом (1580-1626), наблюдал (что, впрочем, видели и многие до него), как тонкий луч света отражается в зеркале. Он просто измерил угол падения и угол отражения луча (чего до него не делал никто) и установил закон: угол падения равен углу отражения.

Для построения зеркального отражения необходимо соблюдать закон: угол падения равен углу отражения

Теперь, задним числом, этот закон кажется нам чем-то само собой разумеющимся. Но в те времена он имел огромное, можно сказать, мировоззренческое значение, которое будило философскую мысль вплоть до XIX в.

Поставим себе следующую математическую задачу: в каком-то домике возник пожар. Вызвана пожарная команда, а воду для тушения приходится брать из реки. В каком месте следует ее набирать, чтобы как можно быстрее подать к горящему дому?

Треугольное зеркало отбрасывает отраженный луч точно в направлении падающего луча

Ответ гласит: место надо выбрать с таким расчетом, чтобы угол подъезда к реке был равен углу отъезда от нее по прямой к горящему дому. В этом случае общая длина отрезков пути будет минимальной. (Такой принцип минимума-максимума прежде рассматривался как проявление «воли господней»).

Закон отражения Снеллиуса объясняет явление зеркального отражения, к этому только следует добавить, почему оно свойственно лишь блестящим и гладким поверхностям. На самом деле шершавые поверхности тоже подчиняются закону отражения. Но вследствие шероховатости они словно состоят из маленьких зеркал, бессистемно направленных во все стороны. Кроме того, материал, который мы рассматриваем как зеркало, должен в очень малой мере поглощать свет и не быть прозрачным. Такими качествами отличаются, к примеру, полированные металлы, спокойная вода над темным дном, некоторые полированные камни и прежде всего помещенное на непрозрачную подложку стекло.

Мачты яхт оснащают уголковыми зеркальными отражателями. Маленькое трехгранное зеркало отражает импульс радара гораздо сильнее, чем корпус судна

Каждой точке предмета соответствует ее отражение в зеркале, и потому в нем наш правый глаз перемещается на левую сторону. Вследствие этого переноса точек предметы, расположенные дальше, в зеркале тоже кажутся уменьшенными в соответствии с законами перспективы. Технически мы можем реконструировать зеркальное изображение так, словно оно расположено за поверхностью стекла. Но это только кажущееся восприятие. Не случайно животные и маленькие дети часто заглядывают за зеркало; они верят, что изображение таится сзади, словно картина, видимая за окном. Факт перестановки левого и правого правильно осознается только взрослыми.

ЗЕРКАЛО С КОНВЕЙЕРА

В одном из греческих мифов повествуется о Нарциссе, который часами лежал на берегу озера, любуясь своим отражением в воде.

Будь Нарцисс человеком состоятельным, он, надо думать, приобрел бы себе зеркало из полированного металла. В те времена довести до зеркального блеска кусок стали или бронзы величиной с ладонь было не так-то просто. К тому же поверхность такого зеркала окислялась и ее приходилось ежедневно чистить. Латинское spectrum в немецком языке превратилось в Spiegel («Шпигель» - зеркало). Из чего можно заключить, что в Германию зеркала принесли римляне.

Только в XI в. появились известные нам зеркала из стекла. Одно из первых упоминаний о них принадлежит французскому менестрелю Вен сану де Бове. По его словам, в таких зеркалах на стекло снизу накладывался свинец. Очевидно, комментировать, в каком контексте менестрель упоминает зеркало, излишне. А в 1773 г. в Нюрнберге уже возник цех зеркальщиков. С этого времени изготовление зеркал становится важной отраслью европейских ремесел.

Венеция была первой страной (в те времена она имела статус самостоятельного государства), которая стала выдавать патенты на изобретения. В 1507 г. братья Данзало дель Галло получили патент на изготовление хрустальных зеркал. Сегодня на рынке антиквариата венецианские зеркала являются драгоценностью. В те времена под стеклянную пластинку подкладывалась тонкая оловянная фольга (олово легко прокатывается на валках). На фольгу выливалась ртуть, которая образовывала с оловом амальгаму. Так как пары ртути очень ядовиты, этот способ давным-давно запрещен и заменен серебрением.

В прямоугольном угловом зеркале (при угле между зеркалами 90°) положения 'правое' и 'левое' сохраняются

С давних пор сохранился прием защиты тонкого металлического слоя лаковым покрытием. Сегодня листовое стекло движется по конвейру, где на его поверхность последовательно наносится из пульверизаторов раствор соли серебра и восстановитель, который осаждает из раствора чистое серебро в тонкодисперсной (коллоидальной) форме; после этого на тонкий слой серебра наносится слой меди, защищающий пленку серебра, и в заключение оба металла покрываются лаком. Конвейерная лента движется со скоростью около 2,5 м/мин. Месячная продукция такого агрегата около 40 000 м^2 зеркала. Если какой-нибудь слишком «сообразительный» читатель вознамерится соскоблить серебро с большого настенного зеркала на украшение жене или приятельнице, то ему нелишне знать, что слой серебра на зеркале столь тонок, что «овчинка выделки не стоит». На 1 м^2 поверхности зеркала осаждается меньше 1 г серебра.

Изготовление стекла считалось прежде большим искусством. Дошел рассказ, что во времена римского императора Тиберия (42 г. до н. э.) некто открыл небьющееся стекло. Тиберий приказал казнить этого человека, чтобы его открытие не привело к обесцениванию стекла. Сегодня изобретатели, работающие в области стеклянной индустрии, могут не опасаться подобной участи. Напротив, все усилия сводятся к тому, чтобы сделать стекло возможно дешевле.

Среди твердых веществ неорганического происхождения (камень, металл) стекло занимает особое место. Строго говоря, отдельные свойства стекла сближают его с жидкостью. Большинство веществ в твердом и жидком состоянии ведут себя по-разному. Проще всего понаблюдать за водой и льдом. Вода находится в капельно-жидком виде. Ровно при 0°С чистая вода начинает кристаллизоваться. Температура затвердения сохраняется нулевой, пока вся вода не превратится в лед. Даже в Заполярье при морозе - 50° С вода подо льдом сохраняет температуру 0°С. Только когда исчезнет вся вода, лед можно охлаждать дальше. Лед как твердое тело имеет кристаллическую структуру. Внутри его маленьких участков, кристаллов, мы обнаруживаем отчетливую симметрию. Эта симметрия распознается на рентгеновских снимках (рентгенограммах).

Угловое зеркало, в котором угол в 90° между зеркалами меняет местами верх и низ

Другое дело стекло. В нем не найти кристаллов. Не существует в нем и резкого перехода при какой-то определенной температуре от жидкого состояния к твердому (или обратно). Расплавленное стекло (стекломасса) в большом интервале температур остается твердым. Если мы примем вязкость воды за 1, то вязкость расплавленного стекла при 1400°С составляет 13 500. Если охладить стекло до 1000°С, оно станет тягучим и в 2 млн. раз более вязким, чем вода. (Например, нагруженная стеклянная трубка или лист со временем прогибаются.) При еще более низкой температуре стекло превращается в жидкость с бесконечно высокой вязкостью.

Главная составляющая стекол - диоксид кремния, или кремнезем, - SiO_2. В наиболее чистом виде он представлен в природе белым кварцевым песком. Диоксид кремния кристаллизуется при переходе от расплава к твердому состоянию сравнительно постепенно. Кварцевый расплав можно охладить ниже его температуры затвердения, и он при этом не станет твердым. Существует немало и других жидкостей и растворов, которые также можно переохладить. Но только кварц поддается переохлаждению настолько, что теряет способность к образованию кристаллов. Диоксид кремния остается тогда «свободным от кристаллов», то есть «жидкообразным».

Перерабатывать чистый кварц было бы слишком дорого, прежде всего из-за его сравнительно высокой температуры плавления. Потому технические стекла содержат лишь от 50 до 80% диоксида кремния. Для понижения точки плавления в состав таких стекол вводятся добавки оксида натрия, глинозема и извести. Получения определенных свойств достигают добавками еще некоторых химических веществ. Знаменитое свинцовое стекло, которое тщательно шлифуется при изготовлении чаш или ваз, обязано своим блеском присутствию в нем около 18% свинца.

Стекло для зеркал содержит преимущественно дешевые компоненты, снижающие температуру плавления. В больших ваннах (как называют их стекловары), вмещающих более 1000 т стекла, сначала расплавляют легкоплавкие вещества. Расплавленная сода и другие химические вещества растворяют кварц (как вода поваренную соль). Таким простым средством удается перевести диоксид кремния в жидкое состояние уже при температуре около 1000° С (хотя в чистом виде он начинает плавиться лишь при гораздо более высоких температурах). К большой досаде стекловаров из стекломассы выделяются газы. При 1000°С расплав еще слишком вязок для свободного выхода газовых пузырьков. Для дегазации его следует довести до температуры 1400-1600°С. Столь высоких температур достигают в так называемых регенеративных стекловаренных печах, изобретенных в 1856 г. Фридрихом Сименсом. В них отработанные газы подогревают камеры предварительного нагрева, облицованные огнеупорными материалами. Как только эти камеры достаточно раскалятся, в них подают горючие газы и необходимый для их сгорания воздух. Возникающие при горении газы равномерно перемешивают расплавленное стекло, иначе перемешать тысячу тонн вязкого расплава было бы далеко не просто.

Современная стекловаренная печь - это печь непрерывного действия. С одной стороны в нее подаются исходные вещества, которые благодаря легкому наклону пода движутся, постепенно превращаясь в расплавленное стекло, к противоположной стороне (расстояние между стенками печи около 50 м). Там точно отмеренная порция готового стекла поступает на охлаждаемые валки. На всю длину стометрового участка охлаждения тянется стеклянная лента шириной в несколько метров. В конце этого участка машины режут ее на листы нужного формата и размера для зеркал или оконного стекла.

Известна твердость стекла (в немецком языке существует даже выражение «твердый как стекло»). В поэме Пушкина «Евгений Онегин» влюбленная Татьяна вырезает на оконном стекле дорогое имя алмазиком кольца (По-видимому, автор знаком с произведением Пушкина по переводу. В оригинале Татьяна «прелестным пальчиком писала на затуманенном стекле». - Прим, перев). Сегодня «алмазы» для резки стекла делаются из синтетических камней или твердых сплавов. Стекло отличает и изрядная прочность на сжатие. Это его свойство используется при создании витражей, декоративных перегородок. В противоположность этому прочность стекла на растяжение ничтожна. Новинкой являются сегодня стекла повышенной прочности. Наряду с другими областями применения их используют для трубопроводов в химической промышленности. Для зеркала важна и прозрачность. Нормальное стекло пропускает от 70 до 90% видимого света. Прозрачность стекла остается непременным условием при изготовлении хороших зеркал. Для ультрафиолетового света (≈ 10^15-10^16 Гц) стекло не прозрачно. В первые весенние дни, когда еще холодно, но солнце начинает пригревать, находятся фанатичные любители загара, которые усаживаются у окон, подставив лицо солнечным лучам. Но все их старания тщетны, если в рамы не вставлены специальные стекла, прозрачные для ультрафиолетовых лучей.

Тем, у кого в квартире несколько зеркал, наверное, приходилось замечать, что качество у них различное. Прежде всего, хорошее зеркало не должно иметь свилей, искажающих изображение. Подобные свили возникают вследствие неполного расплавления стекла или неравномерного остывания.

Блеск зеркала можно улучшить как за счет состава стекла, так и путем тщательной обработки поверхности (шлифовки и полировки).

И все-таки это удивительно: как Нарцисс в древности, лежа на берегу озера, любовался своим отражением в воде, так и мы, современные люди, глядимся в зеркала, которые по существу представляют собой «жидкость»!

Однако в дальнейшем производство зеркал скорее всего пойдет по пути использования пластиковой пленки, на которую напыляется тонкий слой металла.

ОТ ТРЕЛЬЯЖА ДО РАДАРА

Должны ли мы считать, что самих себя видим только в «зеркальном отражении» и в лучшем случае лишь на фото и кинопленке можем узнать, как выглядим «на самом деле»?

Конечно нет: достаточно зеркальное изображение вторично отразить в зеркале, чтобы увидеть свое истинное лицо. Нередко в домах еще встречаются так называемые трельяжи. Они имеют одно большое главное зеркало в црнтре и два меньших зеркала по сторонам. Многие думают, что эти боковые зеркала служат лишь для того, чтобы разглядывать локоны за ушами. Но если такое боковое зеркало поставить под прямым углом к среднему, то можно увидеть себя именно в том виде, в каком вас видят окружающие. Зажмурьте левый глаз, и ваше отражение во втором зеркале повторит ваше движение левым глазом. Перед, трельяжем вы можете выбирать, хотите ли вы увидеть себя в зеркальном или в непосредственном изображении.

Угловое зеркало с прямым углом между составляющими его зеркалами отличается еще некоторыми интересными свойствами. Если вы смастерите его из двух маленьких зеркал, то сможете сами убедиться в том, что в таком зеркале с прямоугольным раствором (а сейчас мы говорим только о нем) отраженный луч света всегда параллелен падающему лучу. Это очень важное свойство. Но не единственное! При повороте углового зеркала вокруг оси, соединяющей зеркала (в определенных пределах), отраженный луч не изменит своего направления.

В технике обычно не составляют зеркала, а используют прямоугольную призму, у которой соответствующие грани обеспечивают зеркальный ход лучей.

Прямоугольные призмы, как бы «складывающие» ход луча «гармошкой», сохраняя его необходимую длину, заданную фокусным расстоянием линзы, позволяют уменьшать габариты оптических приборов. В призматических биноклях лучи света при помощи таких приборов обращаются на 180°.

На старинных картинах можно видеть капитанов и полководцев с непомерно длинными подзорными трубами. Благодаря угловым зеркалам старинные подзорные трубы превратились в современные бинокли.

Принцип действия Танагрского театра. Благодаря зеркалам создается впечатление, что на сцене движутся маленькие человечки или предметы, как бы наблюдаемые в перевернутый бинокль

Игрокам в бильярд издавна знакомо действие отражения. Их «зеркала» - это борта игрового поля, а роль луча света исполняют траектории шаров. Ударившись о борт возле угла, шар катится к стороне, расположенной под прямым углом, и, отразившись от нее, движется обратно параллельно направлению первого удара.

Свойство отраженного луча сохранять направление при повороте углового зеркала вокруг оси находит широкое применение в технике. Так, в трехгранном зеркальном уголковом отражателе луч сохраняет постоянное направление, несмотря на весьма сильные качания зеркала. По форме такое зеркало представляет собой кубик с отрезанным уголком. И в этом случае на практике используют не три зеркала, а соответствующую стеклянную призму с зеркальными гранями.

Важной областью применения трехгранного зеркала служит уголковый отражатель (кошачий глаз, катофот) на велосипедах, мотоциклах, сигнальных предохранительных щитах, ограничителях проезжей части улицы. С какой бы стороны ни упал свет на такой отражатель, световой рефлекс всегда сохраняет направление источника света.

Большую роль трехгранные зеркальные уголковые отражатели играют в радиолокационной технике. Самолеты и крупные стальные корабли отражают луч радара. Несмотря на значительное рассеяние его, той небольшой доли отраженных радиоволн, которая возвращается к радару, обычно достаточно для распознания объекта.

Хуже обстоит дело с маленькими суденышками, сигнальными поплавками и пластиковыми парусными яхтами. У небольших предметов отражение слишком слабое. Пластиковые яхты так же «прозрачны» для радиоволн, на которых работает радарная техника, как оконные стекла для солнечного света. Поэтому парусные яхты и сигнальные буйки оснащают металлическими уголковыми отражателями. Длина граней у такого «зеркала» всего около 30 см, но этого довольно, чтобы возвращать достаточно мощное эхо.

Художественные изделия из стекла производят впечатление не только благодаря совершенству формы и тщательной шлифовке, но и благодаря высокому показателю преломления стекла

Вернемся еще раз к угловому зеркалу из двух соединенных зеркал. Качнем его ось вправо или влево - наше изображение тоже наклонится в сторону. Мы можем даже положить его, если поместим ось зеркала горизонтально. Но, наклонив зеркало еще дальше, мы заметим, что изображение «выпрямляется». Конечно, и этому мы поищем объяснение. Оно вполне отвечает теме этой книги.

Угловое зеркало имеет плоскость симметрии, которая делит пополам пространство между обоими зеркалами. При соответствующей форме оно может иметь еще одну плоскость, перпендикулярную зеркалам, но ее мы здесь рассматривать не будем. Нас интересует только плоскость симметрии, проходящая между зеркалами в которой, так сказать, взаимно отражаются оба зеркала.

Каждая плоскость симметрии меняет, как нам уже известно, правое на левое (и наоборот). Но это несколько упрощенное вос-риятие. Если бы плоскость симметрии умела говорить, она бы заявила: «Я не меняю ни правое на левое, ни верх на низ. Я вообше не знаю, что это такое. Я лишь точка за точкой отображаю все, что находится по одну или другую сторону от меня. Если человек своей продольной осью встанет параллельно соей оси, я поменяю ему правую и левую стороны, но если тот же человек своей продольной осью расположится перпендикулярно моей оси (ибо я всегда остаюсь неизменной), то я поменяю то, что люди называют верхом и низом». Как видите, все зависит от точки зрения.

Но в конечном итоге истинно то, что можно измерить и сосчитать. Сегодня мы не видим особого достижения в том, что Снеллиус измерил углы падения и отражения луча. Но мы не должны забывать, что ученые XVI в. подобными открытиями ломали более чем двадцативековую традицию.

Среди секретов телевидения известен трюк с уменьшением исполнителя, который на фоне всей окружающей обстановки «в натуральную величину» выглядит маленькой куколкой. Иногда зритель может видеть актера одновременно в двух масштабах: на переднем плане в обычную величину, а на заднем в уменьшенном.

Тому, кто искушен в фотографии, понятно, как достигается подобный эффект. Сначала снимается уменьшенный вариант, а потом актер играет перед экраном, на который проецируется его уменьшенное изображение.

Известный «чародей» Иохен Цмек в своей увлекательной книге «Волшебный мир магии» (Zmeck J. Wunderwelt Magie. Berlin: Heuchel-Verlag, Kunst und Gesellschaft, 1974) описывает, как подобные чудеса можно делать без фотографии. Когда уменьшенный предмет должен сам собой появиться в пространстве, с помощью вогнутого зеркала его изображение проецируется таким образом, чтобы он казался стоящим на подставке.

Иллюзионист Александр Фюрст строил этот трюк следующим образом. Зритель видел маленькую сцену с сильно уменьшенными артистами. Чтобы спроецировать их в таком виде на экран, Фюрст использовал в своем сооружении угловое зеркало. Именно перед ним двигались артисты. Но зеркало переворачивало их на 180° и ставило тем самым «на голову», и уже это изображение вогнутое зеркало, еще раз перевернув, отбрасывало на маленькую сцену. Непременным условием эффекта была безупречная чистота всех зеркал.

Разумеется, «волшебник» мог демонстрировать не только появление каких-то предметов, но и их молниеносное исчезновение, стоило только произнести магическое «симсалабим» (и, конечно, выключить источник света или отвернуть зеркало). Как прелестен такой Танагрский театр (так называются подобные зрелища), можно убедиться, заглянув в перевернутый бинокль. Уменьшенный, как бы сконцентрированный мир выглядит в нем очень интересно. Принцип действия и призматического бинокля, и Танагрского театра одинаков. Только в одном случае используются линзы, а в другом - вогнутое зеркало.

О ЛЕВШАХ И ПРАВШАХ

Теперь, когда мы знаем, как работают зеркала и как они изготовляются, подумаем еще над тем, что же мы видим в зеркале в нашей повседневной жизни.

Это может превратиться в хобби: анализировать каждый предмет с точки зрения симметрии. Вспомним о том, что если разрезать предмет вдоль его плоскости симметрии и поставить одну из половинок перпендикулярно зеркалу, то в зеркале как бы появится вторая, «отрезанная» половина. Поэтому, говорим ли мы о зеркале или о плоскости симметрии, речь идет, в сущности, о явлениях одного порядка.

В принципе все возможные «волшебные» оптические трюки основаны на «бесшовном» переходе изображения в его зеркальное отражение. Секрет «разрезанной пополам дамы» и прочих подобных фокусов вы можете легко постичь и воспроизвести, пользуясь трельяжем, состоящим из нескольких зеркал. Поверните одно из малых зеркал внутрь настолько, чтобы его хорошо было видно в большом зеркале. Положите руку на край малого зеркала так, чтобы средний палец лег параллельно краю, и вы увидите в зеркале, что ваша рука состоит из двух мизинцев и двух безымянных пальцев. Оттопырьте мизинец, и в зеркале шевельнутся два пальца. Немного фантазии - и этот «номер» можно подготовить для демонстрации на домашнем вечере. Условие успеха здесь, как и в варьете или цирке, состоит в безупречной чистоте зеркала. Хорошее и достаточно большое зеркало (чтобы не было видно его краев) для глаз не заметно.

Ковшики всегда выпускаются с расчетом, что их будут брать правой рукой. Но всякий левша предпочел бы ковшик в 'зеркальном' исполнении

После того как мы мысленно разделим плоскостями симметрии стулья, столы, вазы, людей, животных, дома и деревья, нам, конечно, захочется поискать асимметричные тела.

О винтовых лестницах и винтовой нарезке мы уже упоминали. Пожалуй, следует еще раз уточнить свойство асимметрии: через асимметричный предмет нельзя провести плоскость симметрии (Автор здесь относит к симметричным лишь те тела, которые обладают плоскостями симметрии. В современном учении о симметрии к симметричным телам относят все фигуры, состоящие из равных закономерно повторяющихся частей. В частности, и фигуры с винтовыми линиями, рассматриваемые как бесконечно протяженные системы, обладают винтовыми осями симметрии, то есть считаются симметричными. - Прим. ред). Поэтому его невозможно «правильно» отразить в зеркале. И наоборот: каждая спираль закручивается в зеркале «в другую сторону». Левый виток становится правым. Левая рука превращается в правую. Может быть, отсюда и пошли слова «левша» и «правша»?

Однако здесь может возникнуть возражение: как же у человека, существа, наделенного плоскостью симметрии, могут «поменяться» в зеркале руки или уши?!

Верно!

Для того чтобы разобраться, представьте, что в зеркале видна только рука, без ее владельца. Вы можете сами попробовать, встав боком к зеркалу, поместить перед ним одну руку. Или попросту рассмотрите внимательно ваши перчатки. Они соотносятся друг с другом, как изображение и его зеркальное отражение. А вот если вы разрежете посередине кубик, то не различите половинки! Они совмещаются (мысленно) безо всякого труда.

Поищем дальше, какие еще асимметричные предметы окружают нас. Бывают ли чашки для левшей? Или ножницы для тех, кто режет левой рукой?

У чашки поверхность симметрична: из нее можно пить и справа и слева. Но вот наши деды пользовались особыми чашками для усачей. Сверху такая чашка имела козырек, чтобы гордые усы не окунались в кофе. Отверстие, через которое наполняли чашку и пили, находилось с одной стороны. Такая чашка уже не симметрична. Она делалась либо для левой, либо для правой руки.

Если положить средний палец вдоль края зеркала и пошевелить указательным пальцем, в зеркале возникнет забавное отражение

Ножницы, как правило, делаются для правой руки. Вы сразу аметите это, как только попытаетесь остричь на ней ноготь, в ножницы в левую руку. Ковшики тоже всегда делаются для правой руки. Среди сувенирной мелочи иногда как курьез продаются штопоры для левой руки: ведь левше очень неудобно открывать бутылку нормальным штопором. Асимметричны, конечно, такие предметы, как винт корабля или самолета. Прежде большие гидропланы имели два пропеллера: тянущий и толкающий. Нетрудно представить себе, как они вращались. Или возьмите, например, точилку для карандаша в правую руку, а левой вращайте грифель. Вы сразу заметите, что и здесь проявлена асимметрия.

Наконец, посмотрите на гитары, скрипки и другие струнные инструменты. Они симметричны (если не принимать во внимание толщину струн и расположение колков). Но вся система из скрипки и смычка асимметрична. Любопытно было бы узнать, существуют ли левщи среди скрипачей!

ЧАРЛИ ЧАПЛИН И МОРСКИЕ УЗЛЫ

И у великих людей есть свои проблемы. Весьма важный для общественного деятеля вопрос: куда девать руки? В фильме «Великий диктатор» непревзойденный Чарли Чаплин пытается найти решение этой проблемы, прежде чем показаться народу. Он становится перед зеркалом. Конечно, лучше всего было бы просто сунуть руки в карманы. Но нельзя же ронять свое достоинство! И вот Чаплин перебирает все мыслимые положения. В конце концов он скрещивает руки на груди в позе, по его мнению, наиболее впечатляющей современников.

Рассматривая картины, памятники или парадные портреты, нетрудно заметить, что существует всего несколько эффектных положений рук. Но для нас интерес представляют лишь скрещенные руки. Не поленившись испробовать это, вы обнаружите, что существуют два варианта. Ваша правая рука ложится так, что ее кисть прячется под левым предплечьем. Или наоборот: правая кисть лежит на левом предплечье, а левая прячется под правой рукой.

Прямой морской узел симметричен. Асимметричный 'бабий узел'

Представьте себе, что это не руки, а шнурки для ботинок. Их тоже можно перехлестнуть слева направо или справа налево.

На языке моряков такое простое соединение называется «полуштык». Если вам не верится, что вы связали ваши конечности, узлом, попросите, чтобы вам дали по кончику веревки в каждую из перекрещивающихся рук. Теперь выньте руки из подмышек - на веревке окажется узел «полуштык».

К этой «половине» узла следует, естественно, добавить вторую половину, чтобы получился цельный узел. Но если вы попробуете это сделать, будьте внимательны! Здесь существуют два возможных варианта. Если вы «правильно» положите концы веревки, то получите узел «плоский штык». Стоит вам положить их «неправильно», и у вас выйдет «бабий узел», внушающий отвращение всякому моряку. «Бабий узел» затягивается крепко, и развязать его очень трудно. «Плоский штык» также крепко затягивается, но развязать его весьма просто, стоит только подвигать соответствующие концы навстречу друг другу. Для нас же в обоих случаях имеется еще одно существенное различие: «плоский штык» симметричен, а «бабий узел» асимметричен.

Тросы и канаты бывают свиты справа налево (по букве Z) или слева направо (по букве S). При намотке снастей следует обращать внимание на направление, в котором свита веревка, иначе могут возникнуть петли

Но вернемся еще раз к Чарли Чаплину. Обе перекрещенные руки (или концы веревки) по сути дела воспроизводят витки винта и лишены симметрии. Поэтому переплетающиеся концы и невозможно мысленно перевести один в другой. Они соотносятся как изображение и его зеркальное отражение. И если вы завяжете «полуштык» перед зеркалом, ваше отражение в зеркале завяжет его «наоборот». Для того чтобы после второго перехлеста получился правильный морской узел, он должен завязываться зеркально по отношению к первому.

Канаты или тросы могут быть свиты слева направо или справа налево. Бывают канаты (и тросы), скрученные справа налево по букве Z и скрученные слева направо по букве S. Имеется в виду длинный средний элемент буквы, направленный вдоль волокон каната. Расположение этих элементов в буквах зеркально по отношению друг к другу, что в той же мере относится и к соответствующим канатам.

Знают ли эти молодые люди, что они 'завязали' друг перед другом руки левым и правым узлом?

Впрочем, если вы станете разглядывать вашу бельевую веревку, может оказаться, что она вообще не свита, а сплетена. Витые канаты под нагрузкой растягиваются, а сплетенные почти нет. (Бельевая веревка, которая растягивается, когда на нее повесят мокрое белье, не очень-то удобна!) Интересно, кстати, что и улитка завивает свой домик Z-образным витком.

В специальной книге о морских узлах мы находим около 4000 различных задач на завязывание канатов. Многие из этих узлов очень привлекательны на вид, но безнадежно асимметричны.

На картинках, изображающих старинные парусные корабли, видно, как матросы карабкаются на мачты по веревочным лестницам. У моряков это называется «взбираться по вантам». Ванты - это длинные канаты или тросы, которые тянутся от бортов корабля к мачте. К ним крепятся веревочные «перекладины». Эти короткие отрезки снастей должны быть прикреплены «намертво» (ни в коем случае не узлом «плоский штык»!). Как выглядит подобное закрепление, показано на рисунке. На первый взгляд оно кажется симметричным, однако это не так. Такое же впечатление производят и всевозможные декоративные узлы. Их можно встретить и в художественных изделиях, и на военном мундире.

Этой большой улитке около 50 млн. лет. Ее витки закручены по букве Z

Морской узел «плоский штык» дает нам еще один прекрасный пример симметрии. Здесь необходимо рассматривать не только симметрию формы, но и симметрию нагрузки. Наш перекрестный узел можно завязать (правильно!) таким образом, что вначале связываются между собой концы каната, которые впоследствии должны испытывать нагрузку. Но можно завязать его и так, что нагруженный конец будет соединен со свободным, ненагруженным («самораспускающийся» узел). В.завязанном виде оба узла практически неразличимы. Однако если нагрузить неверно завязанный узел, то он не станет держать. Как говорят моряки, узел «разъедется».

Именно его и используют в своих представлениях фокусники и иллюзионисты. Раньше, когда на кораблях еще существовали гамаки, всегда находились услужливые помощники крепить новичку его гамак. Естественно, среди ночи доверчивый новичок оказывался на полу.

Математикам и инженерам нередко приходится заниматься узлами и решать связанные с ними задачи. Теоретически интересно знать, какие существуют типы узлов. Но практиков волнует иной вопрос: как создать транспортный узел для беспрепятственного движения потоков автомашин или людей. Такого рода «узлы» можно видеть на топологической схеме наземного и подземного транспорта Берлина.

Существуют даже патенты на узлы. Имеется, например, американский патент, основанный на специальном узле - ленте Мёбиуса. Немецкий математик Август Фердинанд Мёбиус (1790-1868), перекрутив один раз плоскую ленту под углом 180°, склеил оба ее конца. Эта лента обладает удивительным свойством. Если мы, коснувшись пальцем одной из ее сторон (заметим которой), будем скользить им вдоль по поверхности, то обнаружим, что у этой ленты существует только одна поверхность (не перекрученная таким образом лента, естественно, имеет две поверхности). На этом свойстве и основан патент. При использовании приводного ремня (говорится в патентном описании) его внутренняя сторона, пробегающая над ведущим и ведомым колесами, со временем снашивается и становится непригодной. При использовании ленты Мёбиуса по существу исчезает разница между внутренней и внешней поверхностью и износ ремня соответственно намного уменьшается. Собственно, это и было запатентовано.

Саморазвязывающийся узел, которым часто пользуются фокусники. Если потянуть за 'нужный' конец, узел распустится

Если сделать ленту Мёбиуса прозрачной и нанести на нее какой-нибудь значок, скажем букву N, то обнаружится, что противолежащие фигуры соотносятся как изображение и его зеркальное отражение. Это весьма любопытно, учитывая, что «прямая» и «противолежащая» буквы находятся на одной стороне ленты! Ведь у ленты вообще всего одна поверхность.

При конструировании сложных пересечений важно знать одно свойство узлов, которое мы выведем с помощью эксперимента. Нарисуйте любой транспортный узел. Он может быть запутанным и неправильным. Пометьте только каждое пересечение буквой, разумеется, в каждом случае разной. Теперь ведите карандашом или пальцем по вашему рисунку в направлении, обратном тому, в каком вы рисовали. И всякий раз, проходя пересечение, записывайте соответствующую букву. Чтобы результат (который мы стремимся найти) был нагляднее, записывайте буквы в два ряда: либо слева направо, либо сверху вниз. Важно только, чтобы вы чередовали перекрестки (в зависимости от того, проходит улица над или под другой). Причем не играет роли, каким вы приняли первое пересечение - верхним или нижним. Когда табличка будет готова и вы как следует проверите ее, то обнаружите, что каждая буква, обозначающая перекресток, встречается в каждом из рядов по одному разу.

Симметричен ли изображенный здесь морской узел?

Представьте себе, что вы должны спроектировать систему светофоров, регулирующих проезд транспорта. В одном ряду окажутся все светофоры, включенные на зеленый свет, в то время как все светофоры другого ряда должны быть включены на красный.

Фокусники-любители используют знание теории узлов для изящного «эксперимента по чтению мыслей». Вы просите нарисовать подобный узел и обозначить его буквами (не подглядывая), а потом предлагаете объехать препятствие, называя буквы (которые фокусник записывает по известной уже схеме). В каком-нибудь месте два перекрестка «путаются». И фокусник, «читая» мысли, называет встретившиеся буквы. Как легко проверить, перепутавшиеся буквы дважды попадутся в одном ряду.

Всякий перекресток - это задача на 'узлы'. На изображенном здесь перекрестке существует 32 возможности столкновения

В заключение этого раздела еще один вопрос: а что произойдет, если ленту Мёбиуса разрезать вдоль? В случае простой, не перевернутой ленты это ясно: получатся две новые ленты, которые будут вдвое уже первой. Что же случится с лентой Мёбиуса, которую мы предварительно перекрутили, прежде чем склеить ее концы, трудно и представить! Если после одного поворота уже «исчезла» одна сторона, то в этом случае можно ждать чего угодно. Сформулируем вопрос несколько иначе: что случится, если владелец запатентованной ременной передачи разрежет ее вдоль, чтобы из экономии получить две ременные передачи? Опыт подсказывает нам, что двух новых лент не получится. Возникнет замкнутая лента, вдвое большей длины. Она, хотя и перевита, но, как всякая нормальная лента, снова имеет две стороны.

ПЕРЕВОЗКА МОЛОКА И ПОЛ В ВАННОЙ

Перелистните, пожалуйста, несколько страниц назад и еще раз взгляните на пять Платоновых тел. Только эти пять тел (повторим это еще раз) можно построить из одинаковых правильных плоских фигур - граней.

Тетраэдр нам знаком из повседневной жизни. В пакетах-тетраэдрах мы покупаем молочные продукты. Некоторое время назад дискутировался вопрос, почему для этих целей использует-се именно тетраэдр, а не гексаэдр, то есть куб. Ведь куб имеет наименьшую (после шара) поверхность по отношению к объему. Поэтому при такой упаковке для того же объема молока понадобилось бы меньше упаковочного материала, чем при упаковке в тетраэдры. Однако если мы посмотрим на развертки обоих тел, то увидим, что тетраэдры можно складывать из непрерывной движущейся ленты. А вот кубы из простой ленты не получатся. Два квадратика всегда будут торчать, так что обрезков всегда будет оставаться гораздо больше, чем при склеивании пакетов-тетраэдров.

Основной мотив узора многих футбольных мячей состоит из пятиугольника, окруженного пятью шестиугольниками

Этот небольшой пример позволяет проанализировать часто встречающуюся ошибку. Нередко в поисках оптимального решения мы забываем точно определить, что же именно следует оптимизировать. Нижненемецкая поговорка гласит: «Что подходит сове, то негоже соловью». На современный лад это звучит примерно так: «Если создать оптимальные условия для соловьев, каково придется совам!» (И наоборот!)

В нашей задаче об упаковке можно поставить множество вопросов, в зависимости от того, что же именно должно быть оптимальным:

1. Что дает наименьший расход упаковки при том же объеме содержимого? (Шар, куб.)

2. Какое тело легче всего получить из плоского листа путем простого складывания? (Пять Платоновых тел, то есть не шар!)

3. Какое тело при сборке имеет минимальную по длине соединительную полосу, которую можно склеить, сварить или соединить еще каким-то способом? (Тетраэдр.)

4. При выкройке какого тела получается минимум обрезков? (Тетраэдра.)

5. Какие тела можно сложить наиболее плотно, без просветов? (Куб, тетраэдр.)

6. У какого тела наименьшая вероятность «перепутать» грани в том случае, если оно должно лежать определенной стороной кверху (скажем, чтобы была видна маркировка)? (У тетраэдра, у него меньше всего граней.)

Из постановки этих шести вопросов нетрудно понять, как тщательно следует уточнять, что именно мы собираемся оптимизировать.

Если перед нами встанет задача разработать форму упаковки для грузов, предназначенных для пересылки самолетом, определяющими критериями оптимизации будут пункты 1 (маленький упаковочный формат) и 5 (плотная укладка без зазоров), так как при воздушных перевозках каждый грамм стоит дополнительных денег. Но при выборе тары для перевозки молока главную роль играет пункт 3 (наименьшая длина линии склейки) и даже еще более важную - пункт 4 (минимальные отходы). Сюда добавляются еще преимущества пунктов 5 (плотность укладки) и 6 (наименьшая вероятность уложить пакеты не той стороной).

Если объезжать этот 'узел' по стрелке, то б.уквы появятся один раз в 'непрямом' ряду и один раз - в прямом

Перед футурологами уже сегодня встает проблема: будем ли мы в 2000 г. покупать молоко в тетраэдрах или только в порошке, а может быть, нам снова придется возиться с молочными бидонами?

Однако в этой книге нас прежде всего интересуют вопросы, более близкие теме.

Право же, удивительно, что из пятиугольников тоже можно построить многогранник. А почему это невозможно из шестиугольников? Тем более что шестиугольник можно построить из шести треугольников?

Пятиугольники и шестиугольники нельзя уложить на плоскости без зазоров. Эти зазоры закрываются при образовании шара

Очевидно, дело тут не только в самой исходной плоской фигуре (треугольник, квадрат, пятиугольник), но и в том, как эти поверхности, примыкая, соединяются друг с другом. Если шестиугольники выложить на стол, станет ясно, что они покрывают плоскость без зазоров. Это свойственно также треугольникам и квадратам. А вот сложить из шестиугольников, не деформировав их, объемное тело, невозможно. Если все же попытаться с легким нажимом сделать такой многогранник из шестиугольников, его грани выгнутся и форма будет приближаться к шарообразной.

Шаровую конструкцию особого рода представляет собой футбольный мяч. Миллионы людей много раз в неделю видят этот мяч на экране телевизора. Сотни тысяч видят его «в натуре», на стадионе. Все знают, что покрышки мяча состоят из белых и черных фигурок. Но, как ни странно, лишь немногие могут с уверенностью сказать, из каких именно многоугольников он сделан. Даже футболисты колеблются, вспоминая, из пяти- или из шестиугольников. Это типичный пример нашей невнимательности в повседневной жизни.

Используя многоугольники разных видов, можно создать множество узоров для кафельного пола

Прежде кожаная покрышка делалась из двухконечных долек, подобных тем, которые надрезаются на апельсиновой кожуре. У большинства современных мячей покрышка состоит из изогнутых многоугольников. Она весит около 300 г при окружности мяча около 64 см и составляется из 12 черных и 20 белых «полей». Ребро каждого многоугольника независимо от числа его углов имеет в длину 4,3 см. Вокруг каждого черного пятиугольника располагается шесть белых шестиугольников.

Как уже говорилось, на плоскости шестиугольник, окруженный шестью другими шестиугольниками, образует мотив сплошного узора. Пятиугольник, окруженный пятью шестиугольниками, не заполняет всю плоскость без зазоров. Но если с некоторым усилием соединить такие многоугольники из кожи, получится (с весьма хорошим приближением) шар - наш футбольный мяч. Пространственно деформированные шестиугольники применяются и в строительстве при сооружении современных облегченных конструкций.

На рисунке показано 8 полурегулярных мотивов узора, каждый из которых включает два или больше различных типов правильных много угольников, соединенных углами или сторонами. В каждом углу сходится одинаковое число образующих узор многоугольников

Таким образом, из недеформированных плоских фигур одного типа и размера могут быть сложены только пять Платоновых тел.

Большие возможности для комбинаций из плоских фигур открываются при составлении узоров из кафельных плиток (например, на полу в ванной комнате). В них бесконечно повторяются мотивы из равносторонних треугольников, квадратов и шестиугольников. А вот с пятиугольными плитками плиточник едва ли смог бы что-нибудь сделать. Их невозможно сложить в подобный узор.

Особые свойства равностороннего или равнобедренного треугольника (ибо квадрат состоит из двух равнобедренных, а шестиугольник из шести равносторонних треугольников) связаны с суммой его углов, которая составляет 180°. Сумма углов всякого n-угольника равна (n - 2) • 180°. У пятиугольника она будет (5-2) • 180° = 540°. Разделив 540 на 5, мы получим для каждого угла 108°. В точках, где сходятся все плитки, сумма всех углов должна составлять 360°. Но из углов, равных 108°, невозможно составить суммарный угол в 360°!

На рисунке показано 8 полурегулярных мотивов узора, каждый из которых включает два или больше различных типов правильных много угольников, соединенных углами или сторонами. В каждом углу сходится одинаковое число образующих узор многоугольников

Мы уже говорили, что узор из плиток можно составить только в том случае, если взять правильные треугольники, квадраты и шестиугольники. Однако это справедливо лишь тогда, когда прикладывается сторона к стороне и угол к углу. Но эти три вида многоугольников обнаружат различия, как только мы изберем другой мотив узора для нашего пола. Квадраты и равносторонние треугольники будут заполнять всю плоскость и в том случае, если они не примыкают углом к углу. В мотиве, выложенном шестиугольниками, между примыкающими углами и сторонами образуются зазоры. Но сами эти зазоры способствуют созданию новых восхитительных узоров. Для шестиугольников существуют четыре мотива их сочетания в единый узор с треугольниками и квадратами.

Кроме того, известны еще две комбинации, в которых участвуют только квадраты и треугольники, и две, в которых плюс к тому используются еще и восьми-, и двенадцатиугольники. Созданием «узоров для кафеля» увлекались многие математики.

При выкладывании узоров из кафельных плиток нет границ для фантазии

Так, известно, что Иоганн Кеплер занимался составлением узора из шестиугольников, окруженных треугольниками. Любопытно, что этот узор (и только он) может иметь зеркально симметричное изображение. Остальные узоры в зеркале не меняются. Переворачивается только узор Кеплера.

Взяв любые -многоугольники и не ограничиваясь особыми правилами при их соединении, мы можем придумать великое множество мозаичных узоров. Русский кристаллограф Е. С. Федоров в 1891 г. доказал, что при этом выделяются 17 различных групп симметрии. На практике эти группы были известны уже арабам и использовались ими в мозаиках Альгамбры в Испании.

Глаз человека склонен все дальше дробить увиденные узоры, особенно если они контрастны по цвету, как, к примеру, шахматная доска. Начнем с «шахматной доски», состоящей всего из двух рядов по две клетки. (Вместо шахматной доски можно взять четыре квадратные кафельные плитки пола или стены.)

Как можно разделить пополам узор, состоящий из 2X2 плиток? Ответить на этот вопрос, разумеется, не трудно. Только одной чертой, проходящей посередине либо слева направо, либо сверху вниз и отделяющей две клетки (слева или сверху).

Квадрат, составленный из 4Х4 клеток, можно разделить пополам шестью способами

Доску, состоящую из 3Х3 клеток, разделить пополам (не перекая клетки) невозможно. В некоторых играх, правда, используются игровые поля 3Х3, 5Х5 и т. д., исключающие середину я чтобы при делении игрового поля пополам получилось целое число клеток. Но мы здесь не будем рассматривать такие уже и от тех, что складываются из целого числа клеток, голова может пойти кругом.

Сколько существует возможностей разделить пополам узор, составленный из 4 х 4 клеток, не пересекая их? При этом мы пренебрежем различием верх - низ и левое - правое. (Такие решения можно перевести друг в друга простым поворотом.) Тот, кто как следует повозится с таким делением, найдет, худо - бедно, 6 способов.

А если попробовать разделить поле 6x6 клеток? Английский мастер головоломок Генри Э. Дьюдени нашел 255 способов деления такого поля. Для шахматной доски с 64 клетками (8Х8) компьютер рассчитал 92 263 варианта деления!

Существует множество аналогичных задач, над которыми бьются шахматисты и математики. Излюбленными остаются задачи такого рода: сколько ферзей (или слонов, или ладей) можно выставить на одну доску, чтобы они не угрожали друг другу? (Для тех, кто не играет в шахматы, следует заметить, что ферзь имеет право ходить во все стороны, включая и диагонали, сколь угодно далеко.) Любители шахмат определили, что на доске могут находиться 8 ферзей.

Тут встает следующий вопрос: сколько существует вариантов их расстановки? В 1850 г. Франц Наук опубликовал в лейпцигской «Иллюстрированной газете» ответ: таких основных позиций 12.

Поскольку мы много говорили о зеркальных плоскостях, надо надеяться, вы, не задумываясь, проведете плоскость симметрии через шахматную доску сверху вниз. Это будет первым решением.

Следующую плоскость зеркального отражения вы можете провести слева направо, еще две плоскости пройдут по диагонали. Таким образом, мы нашли еще четыре решения. Теперь повернем поле на 180° и снова проведем две диагональные плоскости зеркального отражения и одну - сверху вниз. Но вот провести плоскость симметрии слева направо мы больше не сможем: она даст нам только ту же картину, которую мы уже видели.

Таким образом, путем простого зеркального отражения и вращения мы добавили к основной позиции фигур еще семь вариантов. За одним-единственным исключением, эта операция возможна и для всех остальных основных положений, которые нашел Наук. В упомянутом исключительном случае существует только три отражения. Всего ферзи могут быть одновременно расставлены на шахматной доске, не угрожая друг другу, в 92 различных позициях.

Этот пример учит нас тому, как можно извлечь пользу из наличия симметрии. Разумеется, сначала необходимо было установить, что на иоле могут находиться только 8 ферзей. Потом нужно было выработать 12 основных исходных позиций, что, конечно, было нелегко. Но остальные 80 вариантов можно было найти, отнюдь не будучи специалистом в шахматах. Достаточно было знать, как действует зеркало. С другой стороны, следует признать, что наверняка существует немало выдающихся шахматистов, которые никогда не слыхали о плоскостях симметрии.

К ВОПРОСУ ОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯХ

Говорят, что всякую проблему можно рассматривать с трех точек зрения: с моей, с твоей и с точки зрения фактов.

Несомненно, что-то в этом афоризме есть. Стакан может быть полупустым или наполовину полным. В кармане может быть целых 5 рублей или всего лишь 5 рублей! Пассажиры переживают сильный шторм, а видавший виды капитан в то же время ощущает лишь свежий бриз.

Определим, что такое шахматная доска. Можно сказать, что это 64 клетки, расположенные в 8 продольных рядов по 8 клеток в каждом, так что в целом все вместе они образуют квадрат. Но можно выразиться иначе: это квадрат, разделенный на 64 равные квадратные клетки. (В обоих случаях надо бы еще сказать о черных и белых полях, но, поскольку для наших целей это обстоятельство несущественно, опустим эту часть определения.) В первом случае мы образуем большой квадрат из маленьких, во втором - делим большой на маленькие.

Один из вариантов расстановки на шахматной доске восьми ферзей, при котором эти фигуры не могут угрожать друг другу. Остальные комбинации получают путем зеркального отражения

Ради любопытства спросим, а на сколько частей можно разделить квадрат так, чтобы возникли маленькие, но одинаковые квадратики? Очевидно, что квадрат делится как минимум на 4 меньших квадрата. На 2 или на 3 квадрата разделить его невозможно. При следующем делении каждый из четырех малых квадратов разделится на 4 еще меньших, то есть всего станет 16 квадратов. Ход деления мы узнали. Результат всякий раз получим умножением на 4. Соответственно при следующем делении 16 квадратов мы получим 64, то есть шахматную доску. Существуют только две плоские фигуры, которые можно разделить на две равные части, причем эти части будут точным уменьшенным воспроизведением больших фигур. Так как мы привыкли делить пополам все, что встречается вокруг, приходится только удивляться тому, что лишь в двух случаях мы можем соблюсти сформулированное выше условие. Это такие фигуры: прямоугольный раЬнобедренный треугольник и параллелограмм с соотношением сторон 1: √ 2.

Такой параллелограмм в одном частном случае - в форме прямоугольника - играет существенную роль в искусстве и технике. Прямоугольник, длинная сторона которого больше его короткой стороны в √ 2 раз (то есть в 1,4142 раза), воспринимается нами как соразмерный. Именно такой или близкий к нему формат картин предпочитают художники.

Только равнобедренный треугольник и параллелограмм с соотношением сторон 1:√ 2 можно разделить пополам, так что полученные фигуры будут подобны первоначальным

В фотографии широко распространены форматы 7Х10 (прежде был 6x9) и 13Х18. Если рассчитать соотношение сторон, получается 10:7 ≈ 1,43, а 18:13 ≈ 1,38, то есть числа, близкие к √ 2 = 1,4142.

Более точно придерживаются отношения 1 : √ 2 в технике. На нем основан формат бумаги. Так, при формате АО (841 х 1189 мм) отношение сторон составляет 1,413 ≈ √ 2. Если перегнуть лист пополам, по большей стороне, получится формат А1 (841Х1189/2, то есть 841X594 мм), где 841:594 = 1,415. Дальше снова складывается пополам большая сторона. Получается формат A3. При следующем складывании мы получим известный формат А4, в котором 291:210 = 1,414. Такое деление идет дальше до формата А8 (74:52).

Параллелограммы с соотношением сторон 1 :√ 2, 1 :√ 3 и т. д. можно разделить на две, три и соответственно более частей, так что у новых полученных подобных фигур соотношение сторон сохранится первоначальным

Тот, кто имеет дело с бумагой, знает, что существуют еще два других ряда - для суперобложек и прочих целей. Ряд В начинается с 1414:1000 = 1,414 и ряд С - с 1297:917 = 1,414...

Книга, которую вы читаете (и, хотелось бы надеяться, не без интереса), имеет формат 260Х200 мм, а 260:200 = 1,3.

Конечно, вы обратили внимание, что формат бумаги здесь обозначен не совсем так, как принято: не через произведение сторон, а через их отношение, но мы позволили себе это для большей наглядности.

Мы могли бы сказать, что расчет формата бумаги, отвечающего стандарту, производится путем повторного деления листа с соотношением сторон 1:√ 2, начиная с формата 917Х1297 мм. Но правильнее будет другое определение: стандартный расчет бумаги производится путем пропорционального увеличения листа с соотношением сторон 1:√ 2, последовательно начиная с формата 52Х74 мм. В обоих случаях следовало бы сделать оговорку, что при делении (или умножении) всякий раз берется сторона с относительной длиной √ 2.

В старину подобные трапеции выкладывались по углам наборных полов; каждая составная часть в них подобна целой фигуре

Вспомним, что прямоугольник является лишь частным случаем параллелограмма и что параллелограмм с соотношением сторон 1:√ 2, равно как и прямоугольный равнобедренный треугольник, можно разделить на две уменьшенные копии.

Параллелограмм, одна из сторон которого равняется √ 3, можно разделить на 3 уменьшенные подобные части. В общей форме: параллелограмм с соотношением сторон 1:√ n можно разделить на n одинаковых подобных частей.

Существует еще множество фигур, имеющих самые различные варианты разделения. Мы же рассмотрим еще один мотив, который иногда выкладывали на старинных кафельных полах по углам. Это трапеции, которые зеркальное отражение превращает в цельный мотив узора. Здесь снова возникает «отражение». Значит, в таких узорах допустимы комбинации плоских фигур, которые нельзя путем поворота или вращения совместить друг с другом, то есть «левые» и «правые».

Как уложить бруски или кирпичи, чтобы конструкция не имела сквозных 'швов'

Приведенный здесь рисунок подводит нас к делениям без нарушения сплошности. Если при уменьшении формата бумаги поверхность фигуры пересекал разрыв (складка или черта), то в нашем главном узоре существуют линии, которые не продолжаются, а упираются в другие линии. Иногда особенно желательно полностью избежать деления с разрывами. Скажем, хотелось бы, чтобы стена кирпичного дома не имела шва, пересекающего всю стену сверху донизу. Инструкции по сварке барабанов котлов и нефтяных труб большого диаметра запрещают соприкосновение двух продольных и двух поперечных швов. В каждый поперечный или круговой шов может упираться лишь один продольный шов одного направления. Продольный шов другого направления должен быть непременно смещен в сторону. Благодаря этому разрывы в продольном шве будут распространяться только до следующего поперечного шва.

Теперь вы, наверное, уже догадались, какая предлагается вам задача: соберите из стандартных деталей (кирпичей, паркетин или листов жести) изображенную здесь поверхность, не нарушая ее сплошности.

ЛЕГЕНДЫ РУДОКОПОВ

В старину рудокопы были людьми сугубо практическими. Они не забивали себе голову названиями всевозможных горных пород, которые встречали в штольне, а просто делили эти породы и минералы на полезные и бесполезные, ненужные. Нужные они извлекали из недр, из них плавили медь, свинец, серебро и другие металлы, а ненужные сваливали в отвалы.

Для полезных (на их взгляд) минералов они подыскивали наглядные и запоминающиеся имена. Можно никогда не видеть копьевидного колчедана, но без особого труда представить его себе по названию. Не сложнее по названию отличить красный железняк от бурого железняка.

Для бесполезных камней (как уже было сказано - на их взгляд) горняки нередко находили названия в преданиях и легендах. Так, например, произошло название руды кобальтовый блеск. Кобальтовые руды похожи на серебряные и при добыче иногда принимались за них. Когда из такой руды не удавалось выплавить серебро, считалось, что она заколдована горными духами - кобольдами.

Тяжелый шпат (барит). Рудокопы в стариых выбирали названия для минералов по внешним признакам. Тот, кто однажды взвесил на руке этот минерал и всмотрелся в форму его кристаллов, не забудет его названия

Когда же минералогия превратилась в науку, было открыто великое множество пород и минералов. И при этом все чаще возникали трудности с изобретением для них наименований. Новые минералы часто называли по месту находки (ильменит - в Ильменских горах) или в честь знаменитого человека (гетит - в честь Гете) или же давали ему греческое или латинское название.

Музеи пополнялись грандиозными коллекциями камней, которые становились уже необозримыми. Не слишком помогали и химические анализы, потому что многие вещества одного и того же состава образуют подчас кристаллы совершенно различного облика. Достаточно вспомнить хотя бы снежинки.

Существуют тысячи различных узоров снежинок

В 1850 г. французский физик Огюст Браве (1811-1863) выдвинул геометрический принцип классификации кристаллов, основанный на их внутреннем строении/По мнению Браве, мельчайший, бесконечно повторяющийся мотив узора и есть определяющий, решающий признак для классификации кристаллических веществ. Браве представлял себе в основе кристаллического вещества крошечную элементарную частицу кристалла. Сегодня со школьной скамьи мы знаем, что мир состоит из мельчайших частиц - атомов и молекул. Но Браве оперировал в своих представлениях крошечным «кирпичиком» кристалла и исследовал, каковы могли быть у него углы между ребрами и в каких соотношениях его стороны могли находиться между собой (Для большей наглядности автор упрощает историю вывода решеток Браве. Предшественник Браве - французский кристаллограф Р. Ж. Гаюи (1743-1822) - действительно представлял себе кристаллы сложенными из элементарных «кирпичиков». О. Браве заменил эти «кирпичики» центрами их тяжести и таким образом перешел от «кирпичной кладки» Гаюи к пространственной решетке. - Прим. ред).

Каждый кристалл можно поместить в систему координатных осей

В кубе три ребра расположены всегда под углом 90° друг к другу. Все стороны имеют равную длину. У кирпича углы тоже составляют 90°. Но его стороны различной длины. У снежинок, наоборот, мы не найдем угла 90°, а только 60 или 120°.

Составленный из квадратов ряд можно разделить диагоналями на ряд других квадратов

Браве установил, что существуют 7 комбинаций ячеек с одинаковыми или разными сторонами (осями) и углами. Для углов он принял только два варианта: равный 90° и не равный 90°. Только один угол во всей его системе в порядке исключения имеет 120°. В самом скверном случае все три оси и все углы ячейки различны по величине, при этом в ней нет углов ни в 90, ни в 120°. Все в ней косо и криво, и, можно подумать, в мире кристаллов таким не должно быть места. Между тем к ним относится, например, сульфат меди (медный купорос), голубые кристаллы которого обычно всем так нравятся.

Куб содержит 6 пирамид (для большей наглядности изображена только одна). На каждой из шести квадратных граней можно построить аналогичные пирамиды

В некоторых из этих 7 пространственных решеток элементарные «кирпичики» можно упаковать по-разному. Для нас, знающих сегодня о строении атома, это нетрудно представить и продемонстрировать с помощью шариков для пинг-понга. Но 125 лет назад гениальная идея Браве была новаторской и открывала новые пути в науке Весьма вероятно, что и Браве исходил из узоров кафеля или мотивов шахматной доски.

Если мы разделим квадратные поля диагоналями, то возникает новый рисунок из квадратов, стоящих на углах. В трехмерном Кпостранстве это соответствует кубу, разложенному на шесть пирамид. Каждая такая пирамида составляет половину октаэдра.

Четырнадцать решеток Браве. Они строятся в семи возможных сингониях (осевых системах). Но при этом во внимание принимается также еще и расположение атомов. Так, кубы нижнего ряда соответствуют одной и той же кубической ячейке

Те кто когда-нибудь выращивал кристаллы поваренной соли, нают, что соль может кристаллизоваться в кубах, а может - в октаэдрах. Иными словами, экспериментальные наблюдения совладают с теоретическими соображениями.

Испробовав возможные варианты упаковки для всех семи осевых систем, Браве вывел 14 решеток. Мы приводим их здесь в нашем современном атомистическом изображении.

Если у куба отрезать углы, возникнут новые грани, в данном случае это будут грани октаэдра

Рассматривая решетки Браве внимательней и пробуя мысленно построить из них кристаллы, вы, вероятно, увидите, как можно провести в них плоскости и оси симметрии. Эти возможности сразу расширятся, если мы в одной из элементарных ячеек образуем новые грани. Возьмем куб (естественно, мысленно!), поставим его на угол и обрежем (все так же мысленно) все углы, тогда у него образуются совершенно новые треугольные грани. А из квадратных граней возникнут восьмиугольники: тем самым появятся новые мотивы симметрии.

Анализ элементов симметрии в каждой из осевых систем кристаллических решеток приводит к возникновению 32 классов симметрии. Все многообразие минералов в природе подразделяется на основе 32 классов симметрии. Вооруженные этими знаниями, задумаемся о классификации пяти тел Платона. То, что куб, с его тремя равными осями и тремя прямыми углами, относится к кубической осевой системе (сингонии), не нуждается в доказательстве. В рамках более детального подразделения он принадлежит пентагон-тетраэдрическому классу симметрии (К кубической системе относятся 5 из 32 классов кристаллографической симметрии. К ним принадлежат 5 разновидностей куба, различающихся по симметрии. Наиболее симметричный куб имеет 9 плоскостей симметрии, 3 четверные, 4 тройные и 6 двойных осей симметрии.Наименее симметричный куб, о котором и идет речь в тексте, обладает лишь тремя двойными и четырьмя тройными осями симметрии. - Прим. ред). Мы не станем здесь приводить названий других классов из-за их сложности. Однако обратите внимание на термин «тетраэдрический», так как тетраэдр - одно из Платоновых тел.

В каждом кубе можно расположить пару тетраэдров

А если у вас хорошая память, вы вспомните и пентагондоде-каэдр, также входящий в этот класс симметрии. На картинке хорошо видно, как тетраэдр можно образовать из куба. Остальные Платоновы тела также относятся к кубической системе. Древние греки, надо думать, ужасно расстроились бы, знай они, что такой прозаический минерал, как серный колчедан, имеет ту же симметрию, что и их «совершенные» тела.

ПЕСТРЫЙ МИР КАЛЕЙДОСКОПА

Не знаю, милый читатель, был ли у вас в детстве калейдоскоп, но если нет, то что-то безвозвратно прошло мимо вас... Калейдоскоп - это трубка, глядя в которую вы видите фантастически прекрасный узор из разноцветных многоугольников. Стоит повернуть игрушку, как внутри послышится легкий шорох и возникнет новый орнамент. И так при каждом повороте, и всякий раз новый узор - один неожиданней и красивее другого.

Детская любознательность не ведает границ. Ребенку так интересно узнать, как и почему появляются все новые и новые фигуры, что он разбирает трубочку на части (благо она из картона). И сколь велико бывает разочарование, когда внутри обнаруживается всего-навсего несколько разноцветных осколков стекла и бусинок да еще два маленьких зеркальца...

Из-за преломления света удильщик видит щуку не там, где она находится на самом деле

Если вы никогда не заглядывали в калейдоскоп, вспомните «заставки», появляющиеся на экране вашего телевизора в паузах рекламных передач. Эти меняющиеся геометрические орнаменты напоминают узоры калейдоскопа.

Принцип действия калейдоскопа наглядно демонстрирует простой эксперимент. Поставьте два зеркала под углом друг к другу, поместите перед ними свечу, и вы увидите четыре свечи. Ведь в зеркальном угле с раствором 90° наблюдаемый предмет виден четырежды (360° : 90° = 4):один раз в оригинале и трижды - в отражениях. Зеркальный угол с раствором 72° покажет то же изображение 5 раз. А два зеркала, угол между которыми составляет 60°, дадут нам шестикратное изображение. Разница между великолепным многоцветным узором и скромной действительностью с ее двумя небольшими зеркалами н четырьмя-восемью маленькими бусинками и осколками цветного стекла ошеломляет!

В соответствии с законами оптики рыба может (вероятно) видеть стоящего в воде рыбака парящим в воздухе

В одной старой книге содержится прекрасное описание опыта, оно так удачно, что заслуживает внимания и современного читателя.

«Картина, увиденная под водой. Пословицу «не всему верь, что слышишь», следовало бы продолжить, прибавив утверждение, что нельзя принимать за правду все, что видишь. Из всех оптических обманов нет более невероятного, более поразительного, чем зрелище рыбака, каким его видит рыба».

Рассмотрим сначала обратный случай: как удильщик видит щуку. Луч его зрения преломляется на поверхности воды. Голландец Снеллиус, с которым мы уже познакомились, рассматривая падающие на зеркало и отраженные от него лучи, открыл в 1620 г. закон преломления. Он показал, что луч света, проходящий через две прозрачные среды (воздух, вода), изменяет свое направление на определенный угол, Величина этого угла зависит от отношения показателей преломления обеих сред и от угла падения луча. В виде уравнения этот закон выглядит следующим образом:

синус угла падения/синус угла отражения=nB/nA=показатель преломления среды B/показатель преломления среды А

Если вы посмотрите на чертеж, то заметите, что вертикально падающий луч, достигая границы сред, проходит, не преломляясь. Если же луч падает косо, он преломляется. Угол преломления изменяется быстрее, чем угол падения, в том случае, если луч переходит из оптически более плотной среды в менее плотную. В какой-то момент падающий луг попадает на границу сред (например, воды и воздуха) под таким углом, что его синус будет равен отношению nB/nА=1, в данном случае пв воздуха равно 1. Тогда и синус падения должен быть равен 1, а 1=sin 90°, то есть преломление в этом случае направлено параллельно границе сред. Если угол падения будет еще более пологим, выходящий луч отразится согласно закону: угол падения равен углу отражения.

При переходе в оптически более плотную среду преломленный луч света отклоняется к вертикали, а при переходе из оптически более плотной в менее плотную среду - от вертикали

Мы столкнулись здесь с прекрасным примером того, как один закон оптики переходит в другой через граничное значение. Однако показатель преломления, кроме того, зависит от длины волны излучения. Дневной свет состоит из смеси волн разной длины - от фиолетовых до красных. Так как для каждой длины волны существует свой показатель преломления, «белый свет» на границе двух сред «разлагается», и мы видим цвета радуги.

Однако вернемся к нашему рыбаку. Луч его зрения, падая на поверхность воды, преломляется. Поэтому рыба вида гея удильщику совсем не там, где она находится в действительности, точно так же, как и его собственные ноги: они кажутся рыбаку «подломленными» у поверхности воды.

А теперь представим себя на месте рыбы. Ноги удильщика она видит непосредственно. Но если рыба находится на достаточном удалении (где и должна быть всякая осторожная рыба), то она видит еще и отражение ног от зеркальной поверхности воды.

Два зеркала поставлены под углом друг к другу. Углы между зеркалами представляют собой результат деления 360° на целые числа, то есть 120, 90, 60 и 45°. В зависимости от числа, на которое производится деление, мы видим кувшин 3, 4, 6 и 8 раз. Обратите внимание на то, что кувшин совершает в зеркале 'полный оборот'

Верхняя часть тела удильщика видна ей через границу поверхностей воды и воздуха. И тут, разумеется, справедливы физические законы (они ведь действуют независимо от того, знает о них рыба или нет!). Следовательно, луч зрения рыбы преломляется, так что она видит верхнюю часть туловища рыбака висящей в воздухе без ног. Говоря «видит», мы имеем в виду, что именно такое изображение возникает на сетчатке глаза. Процессов, происходящих при этом в мозгу, мы не касаемся. Нам вряд ли удастся проверить, что думает по этому поводу рыба, но что мы можем думать сами в подобных обстоятельствах, установить не составляет труда.

Принцип действия зеркального у глав калейдоскопе. Только 8 фишек на переднем плане 'истинные', все остальные фишки - их отражения в зеркальных углах

Не случайно в уже упомянутой книге (написанной Артуром Л. Фили) приводится доказательство того, что мы не всегда правильно судим о том, что видим «собственными глазами». Модный некогда цилиндр как нельзя лучше показывает, сколь легко мы можем ошибаться: наш рассудок просто не хочет «верить», что высота и ширина тульи этого головного убора одинаковы.

Оптический обман: высота тульи цилиндра равна ее ширине

Если пример с цилиндром покажется вам не очень убедительным, вспомните, как черное платье делает женщину стройнее, а подчеркнутая талия (как и сужение на тулье цилиндра) зрительно увеличивает ее рост.

ОБ ИСКАТЕЛЯХ СОКРОВИЩ

Однажды, будучи в Австралии, я увидел лавочку, где торговали снаряжением специально для искателей сокровищ. Это было в Сиднее, на маленькой улочке, огибающей небольшой парк.

В магазинчике продавались заступы, широкие лопаты, сита, ведра, молотки и прочие необходимые на этот случай предметы. Искателям приключений оставалось только, прихватив все это добро, отправиться в Австралийскую пустыню, чтобы рыть там шурфы в поисках золота, руды или драгоценных камней. Правда, прежде, как предупреждает висящее над прилавком объявление,будущие миллионеры должны обзавестись соответствующей лицензией на ведение разведки. (Такие лицензии выдаются желающим и по сей день.)

Чтобы искатели счастья точно знали, куда им надлежит держать путь и с чего именно начать, здесь же продаются карты и образцы пород и минералов. Истинные искатели сокровищ, очевидно, уже обзавелись всем необходимым, ибо, кроме меня, покупателей в магазине не было. Владелец продал мне за 25 центов образчик агата. К более крупным торговым операциям он, по-видимому, неособенно привык. Ведь серьезными поисками драгоценных минералов занимаются специалисты, а разработкой их месторождений - крупные концерны.

Два зеркала, составленные углом, показывают нам свечу троекратно

Но, чтобы ощутить себя в роли искателя подземных сокровищ, гражданину Германской Демократической Республики можно и не ездить в далекую Австралию. Прихватив средней величины молоток, он отправляется в Рудные горы в район Шенек - Клингенталь. На любой туристской карте обозначен Шнекенштейн. Добраться туда можно и пешком, и на машине - в зависимости от желания. В нескольких метрах возле шоссе среди деревьев возвышается скальный выход величиной с дом. Это Шнекенштейн - одно из немногих мест в Европе, где можно найти топазы. Чтобы и наши потомки могли еще увидеть кусочек интересного геологического ландшафта, скала объявлена заповедной. Проволочная сетка охраняет ее от молотков искателей топазов. Однако рядом с охраняемым участком находится большой каменный отвал, оставшийся от прежних разработок. Осторожно раскалывая молотком камни величиной с голову или с кулак, среди осколков можно обнаружить мелкие желтоватые кристаллы со стеклянным блеском. Чаще всего это кристаллы кварца, но среди них может попасться и топазик. После нескольких часов кропотливого труда счастливчикам случается стать обладателем полного спичечного коробка кристалликов. Только как отличить топаз от кварца?

Прежде всего по твердости. Топаз будет царапать кварц.

Австрийский минералог Фридрих Моос, современник Гёте, ювил в 1812 г. шкалу твердости минералов. Он выбрал довольно произвольно десять минералов и расположил их в ряд. Оказалось, что тальк, твердость которого была позже принята за 1, царапают все остальные минералы этого ряда. Алмаз способен сам царапать все минералы, а потому его твердость была принята за 10. Кварц по этой шкале имеет твердость 7, и его царапает топаз, твердость которого равна 8. Кристаллограф распознает эти минералы еще и по их принадлежности к различным кристаллографическим системам. Топаз обладает более низкой симметрией, чем кварц, так что эти минералы четко различаются и по форме кристаллов.

Так выглядит топаз в природной огранке, извлеченный из пустот в кварце

Сравнивая форму идеального природного кристалла топаза и искусственно ограненного, мы видим, что между их естественными гранями и искусственной огранкой нет никакой связи.

Драгоценные камни, как правило, обрабатываются без учета их кристаллографической ориентировки. Гранильщик преследует две главные цели. Во-первых, он стремится, чтобы камень по возможности сохранил свои размеры. Это и определяет выбор формы огранки. Во-вторых, ему хочется нанести предельное количество граней. Ведь чем больше граней, тем многократнее камень отражает свет и тем сильнее сверкает (вспомните о зеркальных углах!).

Возможно, у кого-то из читателей или их знакомых имеется великолепный золотистый топаз. Приобретая его, человек был уверен, что становится обладателем подлинного золотистого топаза. И его не обманули. Но в ювелирном деле золотистым топазом называется желтый кварц - цитрин.

Кристаллы кварца и топаза из Шнекенштейна. Желтые включения - топаз

Из шкалы Мооса вы усвоили, да это и общеизвестно, что самым твердым из всех веществ является алмаз. Но как же тогда обрабатываются и шлифуются алмазы? И вообще - почему алмазы ценятся так высоко? На последний вопрос ответить трудно. Очевидно, человек особенно высоко ценит все то, что не поддается или с трудом поддается изменениям. В том числе и драгоценные металлы и камни. Древние греки назвали алмаз «адамас» - неодолимый, чем выразили свое особое отношение к этому камню. Конечно, у неограненных камней (алмазы тогда не гранили) наиболее очевидными свойствами были твердость и блеск. Алмазы отличаются высоким показателем преломления; 2,41 для красного цвета и 2,47 - для фиолетового (для сравнения достаточно сказать, что показатель преломления воды 1,33, а стекла в зависимости от сорта - от 1,5 до 1,75).

Кристаллографически топаз принадлежит ромбической сингонии

Белый свет составлен из цветов спектра. И когда его луч преломляется, каждый из составляющих цветных лучей отклоняется по-разному, он словно расщепляется на цвета радуги. Вот почему в алмазе мы наблюдаем «игру цветов». Кристаллографически алмаз относится к числу кубических кристаллов. От природы он наделен высокой симметрией и обычно образует октаэдрические кристаллы. Древних греков, несомненно, восхищало и это. Мало того, что камень исключителен по блеску и твердости, он имеет еще и форму одного из «совершенных» тел Платона! Ниже с помощью шариков для пинг-понга будет показано, чем объясняется эта исключительность.

Ограненный камень ни одной своей гранью не напоминает природной формы кристалла

Еще и сейчас мы окружаем бриллианты и другие драгоценные камни ореолом необычайности. Всевозможные истории о «несчастных» камнях придают алмазам особую привлекательность даже в наш деловой век. На все, что связано с алмазами, набрасывается покров таинственности. Так, вместо того чтобы в числовом выражении охарактеризовать степень загрязнения алмаза включениями, о нем говорят: «Алмаз чистой воды». Равно как ни один ювелир не скажет: «Этот бриллиант весит 0,2 грамма», что было бы понятно везде и всем, а вынесет таинственный приговор: « Да здесь целый карат».

Два из крупнейших алмазов мира: 'Полярная звезда' (сверху)

При всем том разведка, огранка и сбыт бриллиантов лишены всякой романтики. Международный синдикат заботится о том, чтобы на биржи Лондона и Амстердама поступало ровно столько бриллиантов, сколько необходимо, чтобы цены на них оставались достаточно стабильными.

Два из крупнейших алмазов мира: 'Звезда Юга' (внизу)

Если алмаз предназначается для украшений, для него выбирается чаще всего бриллиантовая огранка. У октаэдра с помощью тончайшего металлического диска, края которого армированы алмазным порошком, снимаются две противолежащие вершины. Верхняя часть так называемого «дикштейна» (толстотаблитчатой заготовки) должна составлять 1/3, а нижняя - 2/3 общей высоты камня. После этого камень заливается легкоплавким металлическим сплавом с таким расчетом, чтобы одна часть его оставалась свободной. Сплав помогает удерживать камень при обработке. Затем камни шлифуются металлическими дисками, покрытыми алмазным порошком.

Бриллиант может насчитывать до 56 граней

Хороший бриллиант имеет 56 граней, из них 32 на верхней части и 24 - на нижней. Благодаря большому числу граней достигается многократное преломление света. Не все бриллианты бесцветны. Бывают окрашенные камни. Известен канареечно-желтый бриллиант Тиффани. Его вес - 128 карат (В начале 1981 г. в Якутии был найден желтый ювелирный алмаз весом 170 карат. Он был назван в честь XXVI съезда КПСС. - Прим. перев). Римский писатель и натуралист Плиний писал: «В каждом драгоценном камне как в капле воды отражено все величие природы».

ПОЛЯРИЗАЦИЯ

Электромагнитные волны, а следовательно и свет, могут быть описаны как поперечные колебания. В естественном свете все направления кажутся перпендикулярными лучу.

Поляризация при Отражении. Плоская стеклянная пластинка отражает часть света. При угле падения 56° (угол поляризации) отраженная часть света оказывается полностью поляризованной. Другая его часть проходит сквозь стеклянную пластинку и поляризуется частично.

Поляризация при отражении

Поляризация в кристалле. Вследствие особенностей своего кристаллического строения так называемые двупреломляющие кристаллы, например известковый шпат, расщепляют световой луч в зависимости от его наклона к их кристаллографической оси на два луча с различными направлениями колебаний.

Поляризация в кристалле

Призма Николя. Для получения поляризованного света служат двупреломляющие кристаллы; два подобных кристалла приводятся в такое взаимное положение, что в месте их соприкосновения один поляризованный луч отражается наружу и тем самым гасится, тогда как другой распространяется прямолинейно.

Призма Николя

Этот проходящий поляризованный луч служит далее для определения поляризации других веществ.

СУЕВЕРНЫ ЛИ ВЫ?

Разумеется, все мы не суеверны. Мы не верим ни гаданиям на кофейной гуще, ни картам, ни гороскопам. И вместе с тем нас радует случайно найденный четырехлистник клевера или цветок сирени с пятью лепестками. А всякий любитель карточной игры знает, что «счастливые» карты следует брать только по одной. В любой азартной игре бывает полоса везения и полоса неудач. Этому можно найти математическое объяснение.

Иногда мы читаем в романах, как какая-нибудь гадалка предрекает будущее, показывая кого-то или что-то в кристалле. Не станем говорить о достоверности такого прогноза. Нас больше интересует, каким образом делаются подобные трюки. В данном случае достаточно сумеречного освещения и некоторого расстояния между зрителем и таинственным объектом. Все остальное - вопрос техники.

Полупрозрачное зеркало как по волшебству переносит свечу в стакан с водой

Хотите продемонстрировать кому-нибудь, как свеча горит под водой?

Пожалуйста. Поставьте свечу позади доски таким образом, чтобы зритель ее не видел, и отразите ее в его сторону с помощью стеклянной пластины. Зритель увидит смутное (а потому таинственное) зеркальное отражение. Если теперь позади стеклянной пластины поставить стакан с водой, выбрав такое расстояние, чтобы кажущееся изображение свечи совместилось со стаканом, то будет казаться, будто свеча в самом деле горит под водой! Конечно, этот элементарный фокус годится только для начинающих.

Обратите внимание на 'кафельный узор' бриллиантовой огранки

Обладая некоторым талантом и искусной техникой, можно заставить появиться или исчезнуть любой предмет. Стоит только нужным образом удалить его от зеркала. Секреты исполнения эффектных трюков обычно отличаются удивительной простотой.

Объяснить явления природы, как правило, много сложнее. Возьмем, к примеру, радугу. Тысячелетиями наблюдали люди появление на небосклоне сказочного полукруга. Его принимали и за мост, ведущий на небеса, и за доброе знамение, и за признак хорошей погоды. И только в 1631 г. французский философ, математик и физик Рене Декарт впервые дал научное объяснение этому явлению. (Вспомните: именно в это время люди начали все измерять!) Прежде всего Декарт установил, при каких условиях мы видим радугу.

Так отражается и преломляется луч света в капле воды

Оказывается, только при низком положении солнца, когда оно находится над горизонтом не выше чем на 42° (то есть до полудня и на склоне дня), к тому же солнце должно быть за спиной наблюдателя. И наконец, в воздухе должны быть распылены мелкие капли воды от дождя или тумана. На равнине мы видим радугу как полукруг, а в горах (или с самолета) - как полный круг.

Это были общие рассуждения. Затем Декарт поставил опыт, который показал, что происходит, когда луч света падает на водяную каплю. Оказалось, что он отражается и преломляется согласно законам, незадолго до опытов Декарта открытым Снеллиусом.

Декарт сделал то, что отличает истинного естествоиспытателя. Он построил и рассчитал ход преломления и отражения 10 тысяч (!) падающих на каплю лучей. Лучи с номерами от 8500 до 8600 отклонялись на наибольший возможный угол, составивший 42°. За пределами этого угла радуги не бывает. Цвет дуги определяется зависимостью преломления от длины волны.

Столь поэтическое явление, как радуга, объясняется простыми физическими законами

Прославленный изобретатель Эдисон сказал однажды: «Гений - это один процент вдохновения и девяносто девять процентов труда». Декарт как нельзя лучше подтвердил этот афоризм: одна творческая идея и 10 тыс. скучнейших расчетов. Напрашивается вопрос: зачем Декарту понадобилось такое количество вычислений? На нашем рисунке изображены лишь два луча, и этого достаточно, чтобы все объяснить. Но мы потому и можем обойтись только ими, что вычисления Декарта были столь всеобъемлющими. Ему приходилось все время опасаться, что при каком-то угле падения выявится граничный случай, который поставит под сомнение всю теорию. Ведь всякая теория может считаться верной лишь тогда, когда она подходит для всех случаев, и может быть опровергнута, если отказывает в одном-единственном. Именно поэтому ученые так осторожны (или должны были бы быть осторожны!) в своих утверждениях. В науке на того, кто решается создать новую теорию, ложится груз необходимости доказать и обосновать ее. В таких случаях полезно вспоминать Декарта и Эдисона. Идея сама по себе не может служить доказательством. Один-два или десять опытов и расчетов уже доказательнее. Десять тысяч опытов или расчетов убеждают.

ПОИЩЕМ КЛАД

Произойти может многое. Другой вопрос, как велика вероятность того, что это случится именно с нами, встретится на нашем пути, в нашей жизни. Так ли уж, например, невероятно, роясь в лавочке букиниста, найти старинную географическую карту? Вам захотелось украсить этой картой свой кабинет. Вы приносите ее домой, начинаете рассматривать, радуетесь полустершимся рисункам на полях и вдруг... замечаете едва различимые старинные письмена: «Иди от виселицы к буку и считай шаги. Дойдя до бука, поверни на 90° влево и отсчитай такое же число шагов. Вслед за тем иди от виселицы к дубу, поверни еще раз вправо на 90° и пройди то же расстояние, что от виселицы до дуба. Ровно посередине линии, соединяющей обе найденные до того точки, я закопал большой клад, который теперь принадлежит тебе».

Представьте себе, что по этому эскизу вам надобно отыскать клад

Место при этом обозначено на карте крестом. Так как это не слишком далеко от вашего местожительства, в ближайший выходной вы садитесь за руль и, сунув в багажник лопату, отправляетесь в путь. Как описать ваше изумление, когда в указанном пункте вы действительно обнаруживаете одинокий бук и развесистый старый дуб?! Вы начинаете по-серьезному верить в возможность трго, что станете счастливым обладателем клада. Но, увы, вы нигде не видите ни виселицы, ни ее следов. Пока вы продолжаете их искать, мы позволим себе кое-какие замечания.

Столкнувшись с задачей на сообразительность, большинство из нас тут же начинает ее решать. (А то, что в данном случае предложена задача именно на сообразительность, вы, очевидно, уже сообразили.) Иначе поступит математик. Прежде чем тратить усилия на решение, он исследует корректность поставленной задачи. Сегодня и ученые, и инженеры все больше понимают значение такого подхода. Специалисты по научной организации труда указывают, что в исследованиях 80% всех неудач обусловлено плохо и неточно сформулированной задачей.

Так выглядит задача о поисках клада на языке математики

Но к нашему кладоискателю это открытие приходит слишком поздно. Он бродит с лопатой в руках и все еще ищет остатки виселицы. Наконец он встречает прохожего и начинает расспрашивать его. Прохожий задумался, огляделся вокруг и рассудил: «Зачем по тем временам надо было сооружать виселицу? Если уж тогда решали кого-то вздернуть, то делали это на суку».

Поразмыслив вслед за прохожим, кладоискатель решает попытать свое счастье, приняв, что виселицей служит бук. И вот он тщательно отмеряет шаги от бука (то есть виселицы) до дуба. Возле дуба он сворачивает направо и делает столько же шагов. Из этой точки он намечает линию к буку и мысленно делит расстояние пополам. Ну а потом, поплевав на руки, начинает копать большую яму.

Читатель между тем уже усомнился в том, что положение виселицы хоть как-то влияет на нашу историю. Но, возможно, его все же интересует, что произойдет, если там действительно зарыт клад.

Однако юристы об этом уже позаботились. В Гражданском кодексе ГДР (§ 361) написано:

«Монеты, предметы, имеющие культурно-историческое значение, или другие ценные предметы, которые были погребены столь долго, что их владелец не может быть более установлен, переходят с момента их находки в собственность народа.

Нашедший обязан предъявить находку компетентным государственным органам и подробно сообщить обстоятельства, при которых она была сделана. Он имеет право на положенное вознаграждение, если выполнил свою обязанность добровольно, заявив о находке властям. Он не имеет этого права, если находка сделана им при исполнении профессиональных или других служебных обязанностей, имеющих к ней отношение».

Та же задача о поисках клада, превращенная в технический чертеж шарнирного механизма

Покончив с юридической стороной дела, перейдем к математической части задачи. Вы хотели бы точно убедиться в том, что положение виселицы действительно не играет никакой роли. В рамках данной книги проверить это достаточно просто. Где лежит клад, мы уже знаем. Итак, наметим произвольную точку G и построим оба прямоугольных треугольника согласно указаниям на карте. И всякий раз мы будем снова и снова находить клад в знакомой нам точке S.

Теперь представим себе, что вместо линий у нас жесткие стержни. В точках В, Е и S они шарнирно закреплены, так что их можно вращать. В точках В1, G и Е_1 благодаря особому устройству шарниров стержни можно смещать относительно друг друга.

Станем вращать точку G по часовой стрелке, наблюдая за сопряженными движениями точек В_1, и E_1. Вращаясь в ту же сторону, что и G, они тоже опишут окружности.

Когда G_1 находится в верхней точке круга (на отметке 12 часов), соответствующие точки B_1 Е_1 располагаются в зеркальных позициях: B_1 - на отметке 3 часа, E_1 - на отметке 9 часов. Таким образом, точки В_1 и Е_1 смещены относительно G соответственно на +90 и -90°. Рычаг B_1-S-E_1 движется при этом всегда только вверх и вниз.

Увлекшись занимательной историей с кладом, мы изобрели шарнирный механизм, в котором два вращательных движения совершаются по кругам одинакового радиуса со сдвигом по фазе на +90 и - 90°. Подобные движения со сдвигом по фазе играют важную роль при создании механических распределительных устройств. Представим себе, что окружности - это вентили. В положении, отвечающем отметке 12 часов (0 часов), они закрыты. Затем мы немного открываем вентиль G от G_1 до G_2. Тогда вентиль В, до того слегка приоткрытый, откроется сильнее - от В_11 до В_12. А вентиль E, наоборот, закроется. При дальнейшем повороте G вентиль Е опять приоткроется, тогда как вентиль В будет установлен на малое пропускное отверстие. Конечно, могут быть построены и другие комбинации, смотря по тому, что требуется конструктору.

Как видите, от геометрической задачи на сообразительность мы незаметно перешли к шарнирным механизмам и к технике регулирования: красивый пример того, как многие, казалось бы, далекие друг от друга случаи из самых разных областей практической деятельности могут быть сведены к немногим математическим или физическим положениям.

ПЛОСКОЕ ЗЕРКАЛО

Закон отражения. Падающий луч, перпендикуляр к отражающей поверхности и отраженный луч лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Плоское зеркало

Плоское зеркало. Предмет рассеивает свет во все стороны. Если плоское зеркало отражает пучок лучей, то, согласно закону отражения, лучи расходятся дальше друг от друга. Возникает впечатление, что все они исходят из одного места за зеркалом - от кажущегося ( виртуального) изображения предмета. Кажущееся изображение расположено на таком же расстоянии от зеркала позади него, на каком находится Действительное изображение перед зеркалом.

Зеркальная симметрия:

Закон отражения:

а'1=а_1, а'2=а_2.

Закон отражения:

α'=α

ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА

Когда световой луч попадает на граничную поверхность двух разных прозрачных сред, например из воздуха на стекло, то часть света отражается, а часть проникает во вторую среду. Однако при этом первоначальное направление луча меняется: он преломляется. Закон преломления Снеллиуса выглядит как

sinα/sinβ=n(=const.)

Если β < α, то есть если преломленный луч отклоняется ближе к перпендикуляру, то преломляющая среда 2 является оптически более плотной, чем среда 1.

Преломление света

Величина n есть показатель преломления среды 2 по отношению к среде 1. Показатель преломления, отнесенный к вакууму, называется абсолютным показателем преломления соответствующего вещества. Значение показателя преломления зависит еще и от длины волны света.

< border="1"> Показатели преломления для длины волны, отвечающей желтой линии в спектре натрия Вещество Показатель преломления по отношению к вакууму Вода 1,3332 Кронглас (в зависимости от сорта) 1,5153-1,6152 Флинтглас (в зависимости от сорта) 1,6085-1,7575 Алмаз 2,42 Воздух при нормальных условиях 1,000292

ПОЛНОЕ ОТРАЖЕНИЕ

Когда свет переходит из оптически более плотной среды в менее плотную, преломленный луч отклоняется от перпендикуляра, так как β > α. Для этого случая

sinα/sinβ=n B / n A причем nB < nA

При больших углах падения α для того, чтобы произошло преломление, должно было бы соблюдаться условие sinβ>1 ; поскольку это невозможно, весь свет отражается и никакая его часть не испытывает преломления (полное отражение).

РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ И ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Если пучок очень быстрых электронов наталкивается на металлический электрод, то свободные электроны вступают во взаимодействие с электронами металла. Электроны высоких энергий, проникающие внутрь атома, выбивают с одной из орбит его электронной оболочки электрон. На освободившееся место переходит электрон с другого, более высокого электронного уровня. При этом переходе высвобождается лучистая энергия в форме рентгеновского излучения. Оно имеет частоту порядка 10^19Гц.

В рентгеновских вакуумированных трубках с помощью накаливаемого катода и прилагаемого высокого электрического напряжения создается электронный луч (пучок электронов), который затем бомбардирует металлический антикатод. В результате возникают рентгеновские лучи, которые легко проходят через стенки стеклянной трубки.

ПРЯЛКИ, ШКАТУЛКИ ДЛЯ РУКбДЕЛИЯ И КАРТИНЫ ХОГАРТА

Если мы внимательно рассмотрим изобретенный нами криво-шипно-шатунный механизм, то найдем, что его можно упростить. Движения точки G_1 мы просто опустим, тем более что ведь G_2 (виселица) может совпадать с одним из деревьев. Тогда в нашем приводе останутся только четыре элемента: неподвижный отрезок ЕВ, который в технике называют станиной; два подвижных отрезка, шарнирно закрепленных в станине, один из них называется кривошипом, другой - коромыслом (какой из отрезков считать кривошипом и какой коромыслом, зависит от определения), и, наконец, отрезок, шарнирно соединяющий концы кривошипа и коромысла (на подшипниках), который называется шатуном.

В простейшем случае, когда длина коромысла и кривошипа одинакова, мы имеем параллельный кривошипный механизм, или шарнирный параллелограмм. Он знаком нам по системе тяг и рычагов на колесах паровозов. Шатун с коромыслом и кривошипом можно соединить и таким образом, чтобы они описывали противоположно направленные, зеркально расположенные круги. При соответствующим образом подобранной длине коромысло будет совершать лишь качательные движения вперед-назад, в то время как кривошип станет двигаться по кругу. На этом принципе работают некоторые из первых изобретенных человеком машин, таких, как прялка и швейная машина с ножным приводом. В обоих случаях «коромысло» посылается ногой вниз. Вследствие этого начинает вращаться маховое колесо (кривошип). Его размах (или, как говорят в технике, маховой момент) должен быть достаточно велик, чтобы опять привести коромысло в исходное положение.

Пантограф - приспособление в виде шарнирного параллелограмма для перечерчивания чертежей в измененном масштабе

Вернемся еще раз к простому шарнирному параллелограмму. Шкатулка для рукоделия или инструментальный ящик помогут понять, как функционирует этот механизм.

Наверное, вы знакомы с чертежным прибором. В нем совместно действуют два параллельных кривошипно-шатунных привода, чем достигается параллельное перемещение линейки. Но интереснее всего, на мой взгляд, устройство пантографа - приспособления для копирования чертежей в измененном масштабе. В нем обошлись без неподвижного отрезка с двумя опорами, который заменен единственной неподвижной опорой (А), вынесенной за пределы шарнирного параллелограмма. Вторая «опора» (В) может свободно двигаться, в ней закреплен карандаш или штифт для обводки чертежа. При этом вся система выполняет соответствующие движения. Здесь используется тот геометрический факт, что существует точка, которая, будучи точкой пересечения удлиненного шатуна с линией АВ, повторяет все движения В, выполняя их в пропорционально увеличенном виде. В этой точке С находится второй карандаш или грифель, который, повторяя все движения, производимые В, вычерчивает увеличенное изображение.

Само собой разумеется, что можно поступать и наоборот: обводя в С оригинал, получать в В его уменьшенное изображение. Этот же принцип используется в системе с небольшой фрезой, которая помещается в положение С. Она гравирует по шаблону (находящемуся в положении В) надписи и рисунки одинакового начертания, но разных размеров.

Кривошипно-коромысловый механизм, состоящий из неподвижной станины и подвижных коромысла и кривошипа, которые связаны между собой шатуном

При некотором воображении можно так перестроить пантограф, что он будет воспроизводить увеличенный шрифт в зеркальном виде. Для этого шатун и станину следует установить крест-накрест. Подобный способ особенно необходим в тех случаях, когда хотят получить отпечатки с оригинала. Ведь оттиск представляет собой зеркальное отражение изображения на печатной доске.

Широко известны жанровые картины английского художника Хогарта (1697-1764), изображающие сцены из жизни Англии XVIII в. С этих картин делались гравюры на меди. На печатной доске гравюра соответствовала картине, поэтому после печатания оттиск представлял собой ее зеркальное отражение. В данном случае граверу следовало бы воспользоваться пантографом.

Мы обязаны немецкому физику и мыслителю Г. X. Лихтенбергу (1742-1799) проникновенным описанием этих картин. Будучи физиком, Лихтенберг не преминул с помощью зеркал привести гравюры в согласие с теми картинами, которые послужили их оригиналами.

Мы уже знаем, что круговое движение кривошипа может иметь своим следствием качательное движение коромысла (и наоборот). С помощью надлежащих удлинителей шатуна и путем введения дополнительных элементов можно создать еще много других фигур. Причем важно, что существует также возможность преобразовать постоянную скорость вращения кривошипа в переменные движения, что сулит большие технические преимущества. Часто при обработке какого-либо изделия желательно перемещать его с постоянной скоростью, а после обработки возвращать тем же путем назад, но побыстрее. Кривошипно-шатун-ные передачи - один из возможных путей решения подобных задач, когда требуется изменить одновременно и направление, и скорость движения, оставив при этом в неприкосновенности направление, в котором действует приводной механизм системы.

ПОЭЗИЯ В ЗЕРКАЛЕ

Зеркальным отражением слов или фраз - игрой в слова - когда-нибудь занимались почти все. Но, пожалуй, не каждый знает, что так же играет и эхо, оно как бы возвращает нам зеркально отраженные слова. В школе нас учили, что волна это всегда волна. Неважно, будут ли это морские или звуковые волны, свет или рентгеновские лучи. Хотя длина этих волн различна, но физические законы, управляющие ими и подобные законам отражения или преломления, одинаково справедливы для всех видов волн.

Удовольствие, которое доставляет нам эхо, не зависит от возраста, его испытывают и стар и млад. В подходящих для этого местах люди кричат, поют, а то и пускают трели на тирольский лад. Какой длины слова или фразы способно возвращать нам эхо, зависит от расстояния между кричащим и отражающей стеной, которая, подобно оптическому зеркалу, должна быть непроницаемой и ровной (по отношению к длине волны). Такая стена не будет «глотать» волны, а станет отбрасывать их назад. Наконец, угол падения должен быть таким, чтобы отраженный звук не ушел невесть куда, а вернулся обратно к нам. Лишь в том случае, если все перечисленные условия выполнены, мы слышим эхо. Поэтому существует не так уж много мест, где мы воспринимаем его. Удивительно, что люди все-таки ухитряются находить такие места.

Однако есть еще одно условие: чтобы эхо было слышимым, звук должен возвращаться с достаточно большой задержкой во времени. Вспомните, как медленно приходится говорить оратору на больших митингах под открытым небом, дабы эхо не сделало его слова неразборчивыми.

Строители театров, концертных залов и кинотеатров стремятся погасить отражение звука от стен. Ив то же время частичное отражение должно происходить, в противном случае помещение будет акустически мертвым. Концертные залы, прославленные своей акустикой, обладают хорошо выверенным соотношением между подавленным эхом и резонансным колебанием стен.

Пословица гласит: «Как аукнется, так и откликнется» - но это не совсем справедливо. Эхо возвращает лишь столько слогов, сколько укладывается по времени в расстояние кричащий - стена - кричащий. Этим объясняются такие сокращения слов, как

«Ма-шут-ка» - «ут-ка»,

«но-во-сел» - «о-сел».

Для возникновения многократного эха необходимо несколько отражающих стен. Особый случай отражения представляют собой так называемые «уголки шепотов», которые подчас демонстрируют в старых церквях или замках. Разговор в определенной точке помещения слышен в одном или нескольких точно установленных местах. В простейшем случае строители используют отражательные свойства эллипса. Нередко в романах можно встретить истории о том, как такие уголки шепотов использовались для подслушивания всякого рода тайн. Однако скорее всего уголки шепотов отнюдь не плоды злого умысла зодчего, а следствие случайных особенностей конструкции.

Поэты тоже нередко занимаются игрой в отраженные слова и фразы. Известное стихотворение Христиана Моргенштерна (Христиан Моргенштерн (1871-1914) - немецкий поэт неоромантической школы. Его оригинальные стихи часто носили пародийный, иронический характер. Очертаниям некоторых из них автор придавал четкий геометрический рисунок. - Прим. перев) «Trichter» («Воронки») в оригинале выглядит так:

Zwei Trichter wandeln durch die Nacht.

Durch ihres Rumpfs verengten Schacht

flieBt weifies Mondlicht

still und heiter

auf ihren

Waldweg

u. s.

w.

Моргенштерн мастерски использовал букву w в качестве концовки, замыкающей графический рисунок стихотворения. Ее форма, очерчивающая контур стиха, имеет вертикальную плоскость симметрии (обратите внимание на то, что это стихотворение о воронках и само имеет форму воронки, а буква w напоминает две составленные воронки). [В русском алфавите буква w отсутствует, но переводчики попытались передать эту стихотворную шутку, по. возможности сохранив внешний облик стихотворения:

Воронок пара шла сквозь лес.

Сквозь шахты суженных телес

тек белый лунный свет

беззвучно, ясно

в люки талий

на путь их

через

лес

и да

ле

е. - Перев.]

В очертаниях этого стихотворения Моргенштерн сознательно следует старинной типографской традиции. В XVI в. в книгах было принято симметричное оформление титульного листа. Слова при этом произвольно разрывались согласно задуманному, расположению строк; остаток слова в угоду симметрии мог перейти даже на следующую страницу, где набирался уже обычным, мелким шрифтом. Но истинное искусство симметричного «отражения» слов началось с составления целых фраз, которые можно было читать слева направо и справа налево. Отдельные слова, такие, как Отто, Анна или Тит, казак, шалаш, подобрать нетрудно. Сложнее придумать комбинации: «топор - ропот», «дороден -недород». Далее при игре во фразы-перевертыши надо усвоить, что при «зеркальном чтении» слова делятся на слоги иначе, чем при прямом: «Изредка так дерзи». При чтении этой фразы наоборот из «дерзи» и «ка» (взятого уже от «так») получается «изредка». Такие фразы существуют во всех языках. Вот, например, немецкая " Ein Esel lese nie" («Осел не читает никогда»), составленная К. Фридрихом из Зейферсдорфа, или русские «И пикантен и нет накипи», «А ремень не мера», «Кинь лед зебре, бобер, бездельник», «А ругала баба балагура». Для образования подобных фраз полезно сначала составить маленький словарь-перевертышей.

В заключение заметим, что существуют и «рассказы-перевертыши», в которых отражаются не буквы, а слова. Одна история (переведенная с английского) начинается словами «Джонс годами разрабатывал теорию времени», а кончается так: «Времени теория разрабатывала годами Джонса». Между этими фразами заключена довольно фривольная история, которую можно читать в обе стороны: с начала до конца и с конца до начала.

Совсем другой вопрос: имеют ли такие истории смысл или просто их авторы не нашли лучшего применения своему остроумию и трудолюбию? Но если кто-то целый рабочий день, а то и дольше размышляет только «о серьезных вещах», уже наверное, он имеет право отвлечься на такую «безделицу». Кстати, если вы где-то прочтете "Kauten Sie jede Woche vier gute bequeme Pelze xy" («Покупайте каждую неделю четыре прекрасные удобные шубы ху»), не подумайте, что и здесь скрыто какое-то отражение, - это просто пробная фраза телетайпной связи. Она содержит все буквы латинского алфавита, а некоторые, такие, как буква «е», - даже по нескольку раз. Те, кто работает с телетайпом, таким образом контролируют правильность передачи всех букв.

И наконец само зеркало играет в поэзии большую роль прежде всего благодаря многозначности и символичности этого предмета. Иногда зеркало выражает идею самопознания и самокритики. Вспомните хотя бы Тиля Уленшпигеля (ведь само его имя Ойлен-Шпигель и означает «Зеркало Совы»). Или вспомните знаменитый роман Джозефа Конрада «Зеркало морей».

Детективная литература тоже не обходится без зеркала и зеркального шрифта. Не так давно появился детектив Э. Гарднера «Моль в норке». Герой его, Перри Мэзон, находит в комнате два призыва о помощи, написанные губной помадой. В одном случае мольба открыто начерчена на зеркале, а в другом - снизу на крышке стола. Очевидно, что истинным может быть лишь один из призывов, но какой? Полицейский справедливо полагает, что истинный призыв должен быть спрятан, иначе гангстеры уничтожили бы надпись. Однако он склонен все проверять на деле и поручает помощнику повторить действия жертвы, еще раз написав призыв на нижней стороне крышки стола. Чтобы «враг» не заметил, пишущий должен спокойно сидеть за столом и не глядя, вслепую писать снизу на его крышке.

Умудренные опытом любители детективов уже сообразили, наверное, как будет выглядеть эта надпись под столом. При таком способе письма шрифт на нижней стороне крышки стола мог получиться только зеркальным. Однако в романе говорится, что фраза написана правильно: слева направо. А это значит, что доска стола была предварительно перевернута. Отсюда и закручивается сюжет. Если бы так же просто обнаруживались действия преступников и в реальной жизни!

В одном из журналов «Немецкое уличное движение» за 1962 г. появилось сообщение, что в Англии, в городе Кенте, надпись на машинах скорой помощи пишется дважды: один раз обычным образом, а второй - зеркальным шрифтом. Благодаря этому водители движущихся впереди машин легче узнают такую машину в зеркале заднего вида и уступают ей дорогу. Возможно, это - правдоподобное сообщение, хотя оно было напечатано в апрельском номере журнала.

«МОРДНИЛАП»

Знаете ли вы, что такое «морднилап»? Если нет, то не ищите это слово ни в энциклопедии, ни в словаре иностранных слов. Там его не сыщешь. Но это еще вовсе не доказывает, что оно вообще не существует. Так, раньше в словаре не было и слова «нособом». И только, когда поэт Христиан Моргенштерн написал из чистого озорства и жизнелюбия:

Его еще нету в Брэме И в Майере тоже нет, Его не найдешь в Брокгаузе...

посвятив этому самому нособому целое стихотворение, в Энциклопедии Брокгауза появилась соответствующая статья: Нособом - сказочный зверь, который бегает на своем носу, придуманный Христианом Моргенштерном в одном из стихотворений сборника «Песни висельника».

Но слова «морднилап» пока еще не найти нигде в отличие от его зеркального отражения, которое читается «палиндром». Палиндромы - это буквы, слова, фразы или цифры, которые могут читаться и слева направо, и справа налево. О словах и фразах мы уже говорили, с числами обстоит точно так же, как и с буквами или словами. А отражается как А. Точно так же 8 вновь прочитывается в зеркале как 8. О остается 0. Прочие цифры лишены плоскостей симметрии - они появляются в зеркале «наоборот».

Палиндромные числа сохраняют свое значение, с какой стороны их ни читай. Простейший случай, вероятно, представляет собой число 11. Год 1881 обратим. Ближайшая обратимая дата - 1991 год. Пусть он будет годом палиндромов для тех, кто увлекается проблемами отражения.

Подчас встречаются числа-палиндромы с весьма необычными свойствами. Например, мастера показывать числовые фокусы исходят из числа 999 999, то есть миллион минус единица. Если разделить его на 7, то получится

999999:7 = 142857,

число, по виду ничем не примечательное. Его особые свойства раскрываются только при умножении:

142 857 • 2 = 285714,

142 857 • 3 = 428571,

142 857 • 4 = 571428,

142 857 • 5 = 714285,

142 857 • 6 = 857142.

Все произведения состоят из тех же шести цифр. Если в любом из этих чисел начать с 1, то дальше всегда следует 4, потом 2 и т. д. Нужно только после конечной цифры числа вернуться к его началу и продолжать читать с первой цифры. Последовательность цифр постоянна: 142 857. Любители подобных фокусов могут, конечно, развить этот ряд чисел далее. При желании можно прибавлять соответствующие числа, всегда получая при этом одну и ту же последовательность цифр, пока в конце концов снова не появится зеркальное число - 999 999.

Другая шуточная задача с палиндромами явствует из следующих рядов:

123 456 789 • 1 • 9 = 111111111,

123 456 789 • 1 • 9 = 222222222

и т. д. вплоть до

123 456 789 • 9 • 9 = 999999999.

Исследован также вопрос о том, существует ли взаимосвязь между простыми числами и палиндромами. Канадец Н. Гриджмен установил, что простые числа с нечетным числом цифр образуют определенные группы. Вот некоторые из них:

181 373 12721,

191 383 12821.

Однако в математике морднилап, кажется, еще менее необходим, чем в языке. В то же время математика не раз вдохновляла иные поэтически настроенные души на литературные излияния. Так, один английский статистик (!) по фамилии Юден создал около века назад хвалебный гимн кривой Гаусса. Он писал (в форме такого рода кривой): «Закон нормального распределения ошибок выступает в опыте человечества как одно из самых широких обобщений натуральной философии. Он служит ведущим инструментом исследования как в физике и социальных науках, так и в медицине, сельском хозяйстве или технике. Он является незаменимым орудием для анализа и обработки данных, полученных из наблюдения и эксперимента».

Математик Карл Фридрих Гаусс, о котором мы уже упоминали, когда говорили об измерении больших треугольников, разработал форму кривой, столь воодушевившую Юдена. Если выполнить большое число измерений какого-либо отрезка - длиной, скажем, в 1 м, - то лишь очень немногие из измерений окажутся равными в точности 1,00 м. Многие измерения дадут значения 0,981 или 1,01 м. Если теперь нанести на диаграмму частоту появления каждого значения измеренной величины, то в идеальном случае получится кривая Гаусса. Подобные кривые можно получить, скажем, при измерении бобов или горошин.

В старину симметрию в формировании книг соблюдали даже в ущерб правописанию

Пока кривая нормального распределения выглядит симметрично, речь идет о случайных отклонениях. Но всякое значительное отступление от симметрии свидетельствует о необходимости установить его причину. В простейшем случае неточным может оказаться измерительный инструмент. Хуже, когда не внушает доверия лаборант, производящий измерения. Однако причина может также заключаться в том, что в число горошин попали (случайно или намеренно) представители иного сорта, которые подчиняются распределению с другими параметрами.

Подобные сведения - и не только подобные - может почерпнуть статистик из нормального распределения. Всем нам есть чему поучиться у Гаусса. Как известно, при планировании и подведении итогов мы часто оперируем средними значениями. Средний годовой доход граждан составляет столько-то. Средний размер обуви мужской части населения такой-то. Среднее потребление пива такое-то и т. д. Однако такое среднее значение еще далеко не отражает истинного положения. Людям с особенно маленькими или особенно большими ногами известна даже песенка на эту тему. А что касается пива, то грудные младенцы, хотя и являются гражданами страны, его не потребляют. Получается, что отцы должны пить за двоих, троих, а то и четверых, чтобы поддержать средний уровень на душу населения. Поэтому Юден с полным правом написал, что нормальное распределение «является незаменимым орудием для анализа и обработки данных». К непроанализированным средним значениям следует питать глубокое недоверие.

Давайте прикинем, какими средствами в среднем располагают американские миллионер и нищий. Ну, в простейшем случае миллионер обладает как минимум 1 млн. долларов, а нищий - О долларов. Легко вычислить среднее значение:

В старину симметрию в оформлении книг соблюдали даже в ущерб правописанию.

1 000 000 + 0/2 = 500000 долл.

Следовательно, средний американец должен был бы иметь 500 тыс. долларов. В чем тут ошибка?

Расчеты средних величин годятся лишь для больших чисел! Значит, 1000 миллионеров и 1000 нищих? Но и в этом случае вычисление не даст правильного результата:

1 000 000 - 1000 + 0 • 1000/2000 = 500000 долл.

Действительная ошибка заключается в том, что нищие и миллионеры располагаются на противоположных концах кривой распределения имущественного состояния народа. Между ними находятся 150 млн. человек, владеющих 10, 100 или 1000 долларами. И средняя величина или среднее значение лишь в том случае приобретает смысл, когда кривая нормального распределения учитывает все имущественные состояния. Не подлежит сомнению, что наблюдения над распределением состояний всех граждан США покажут, что такое распределение не является нормальным. Тут-то именно следует приняться за математический, экономический и политический анализ.

ЛОГИЧЕСКИЕ ОШИБКИ С СИММЕТРИЙНОЙ ПОДОПЛЕКОЙ

< border="1"> Три одинаковых куска картона Стороны А В С Верхняя сторона красный красный белый Нижняя сторона красный белый белый

Решая математические задачи, имеющие (действительное или кажущееся) «симметрическое решение», мы быстро приходим к ответу. Примером такого рода задач может служить равномерное распределение разности между двумя величинами (то есть к каждой величине требуется прибавить половину этой разности).

Возьмем три одинаковых куска картона А, В и С. Закрасим А с двух сторон в красный цвет, С - в белый и В - с одной стороны в красный, а с другой в белый:

Теперь бросим все три картонки в мешок и вытащим одну из них. Не глядя на ее обратную сторону, положим картонку на стол. Допустим, перед нами красная поверхность. Так как один из кусков, С, выкрашен с обеих сторон в белый цвет, то мы видим либо кусок А (красный - красный), либо кусок В (белый- красный) красной стороной кверху.

И только тут возникает сама задача: как велика вероятность того, что, подняв лежащую перед вами картонку, вы увидите красную обратную сторону? Иными словами, какова вероятность того, что это картонка А_1 Вам, конечно, нет надобности долго раздумывать: раз речь идет о двух кусках картона, из которых один А, а другой не А, то решением (симметрическим) будет, разумеется, 1:1, или 50% к 50%. Но, к сожалению, наше «разумеется» ошибочно. Две картонки, между которыми надлежит сделать выбор, имеют следующие красные стороны:

картонка А - верхнюю,

картонка А -нижнюю,

картонка В - верхнюю (снизу она белая).

Одна из сторон обращена кверху с вероятностью 33,3%. Для картонки А эта вероятность, однако, удваивается (верхняя и нижняя стороны), а для картонки В - нет. Следовательно, с вероятностью 66,6% на столе лежит кусок А. Как видим, на основе этого рассуждения можно заключить выигрышное пари: ответ 1:1 столь импонирует большинству людей, что мысль о возможности другого решения им даже не приходит в голову.

Аналогичным образом построена задача о двух детях. Некто говорит: у меня двое детей. По крайней мере один из них - мальчик. Значит, другой - либо мальчик, либо девочка. Какова вероятность того, что второй ребенок - мальчик? Соображаем: в среднем девочек столько же, сколько и мальчиков. Следовательно, сразу же напрашивается ответ: вероятность будет равна 50%. Мы столь быстро склоняемся к такому ответу в силу его симметричности.

Однако правильный ответ мы получим, продумав все возможные комбинации в семье с двумя детьми.

Один ребенок всегда старше, другой моложе. Значит, возможны случаи ДСММ, МСДМ, МСММ, но невозможна комбинация Дс Дм, так как один ребенок является мальчиком по условию задачи. Среди трех возможных случаев лишь в одном второй ребенок - тоже сын, и соответственно вероятность этого составляет 33%. В 66% случаев второй ребенок будет девочкой, если только первый - определенно мальчик.

Математик Юден посвятил кривой Гаусса хвалебный гимн, придав тексту гимна форму такой кривой

Еще затруднительнее следующий вопрос: вы ищете величину А, заключенную между 90 и 110. Ее значение вам неизвестно. Требуется определить число, для которого ошибка в обе стороны будет минимальной (то есть симметричной). Вам, конечно, хотелось бы назвать число 100, так как оно находится посередине между 90 и ПО, но вы не доверяете себе, ибо есть основания полагать, что эта величина неверна (такое решение кажется слишком простым). Чтобы вычислить правильное значение, воспользуемся условием: ошибка сверху и снизу должна быть одинакова. Значит,

х-90/90 = 110-х/110

(х-90)110-(110-х)90,

110х - 9900 = 9900 - 90x + 90x + 9900,

200x = 19 800,

x=99

От 90 до 99 ошибка составляет 10%, и 11 от 110 тоже отвечает 10%-ной ошибке. Неожиданность полученного результата вытекает и из определения понятия «ошибка», и из нашей склонности обращаться к симметричным значениям.

«ТЫ ДОЛЖЕН ЦЕЛИКОМ ОТДАТЬ СЕБЯ ИСКУССТВУ!»

Это требование, естественно, выдвинуто не вполне всерьез. Пожалуй, лишь очень немногие действительно беззаветно отдаются искусству (любому его виду). Непременной предпосылкой к тому является профессиональное мастерство в музыке, литературе, живописи или какой-либо иной сфере искусства, далеко превосходящее уровень таланта. А если гений, отдаваясь своему искусству, способен еще и одерживать успехи на поприще экономики, то это означает, что он посвятил себя не только искусству. (Это не столько упрек, сколько констатация факта.)

Фраза об искусстве, которому ты должен себя целиком посвятить, - и слова, и музыка, на которую они положены, - принадлежит Йозефу Гайдну. Для нас этот его канон интересен с точки зрения симметрии. Это место из Гайдна, как и другие примеры, касающиеся симметрии в музыке, мне сообщил Йохен Глезер.

В теории музыки (основах композиции) известны различные симметрические формы. Простейший случай - обращение интервала. Оно исходит из звуковой последовательности (то есть мелодии), которая испытывает зеркальное отражение в плоскости, параллельной средней линии нотного стана, так что направления музыкальных интервалов изменяются на обратные. Если мелодия (звуковой ряд) оригинала повышается, то в обращении она понижается на такой же интервал, и наоборот. Искусство композиции состоит в том, чтобы с помощью этого формального изменения направления создать осмысленную мелодию, которая прослушивалась бы еще и в обращенном виде.

Музыкальные отражения. a - пример музыкального обращения интервалов, зеркальная плоскость параллельна нотной линейке; б - так строится ракоходное отражение: в - так строится ракоходное отражение с обращением; г - канон Гайдна, в котором встречаются все формы отражений в музыке. Кроме того, его можно петь в прямом и обратном направлении

Вольфганг Амадей Моцарт сочинил свою знаменитую фортепианную сонату ля-мажор с вариациями на одну музыкальную тему. Это не давало покоя композитору Максу Регеру, который придумал еще 8 вариаций на ту же тему, и среди них одну в обращенной форме.

Другой вариант зеркального отражения в музыке более понятен для немузыканта. В этом случае зеркальная плоскость ориентирована перпендикулярно к нотным линейкам. Отраженные ноты кажутся такими, какими они действительно выглядели бы в зеркале. Начиная от зеркальной плоскости оригинал проигрывается в обратном направлении. Такое зеркальное нотное письмо носит название «ракоходное», по ассоциации с обыкновением раков пятиться назад.

Опытные музыканты способны еще к тому же обратить и ракоходную часть пьесы. При этом в зеркальной части снова меняется направленность звукового ряда по высоте. Понижающаяся мелодия ракоходной части становится повышающейся, и наоборот. Человек, не столь искушенный в музыке, едва ли еще сможет распознать, как связан с оригиналом дважды по-разному отраженный мотив.

И наконец, бывает еще и зеркальный вариант ракоходного отражения, когда нотный лист тоже как бы ставится на голову, - и в таком виде эту музыку поют или играют. (А какая экономия бумаги!)

Так вот, Йозеф Гайдн в своем каноне применяет различные способы отражения основной мелодии: ракоходное отражение, ракоходное отражение с обращением интервала и зеркальное ракоходное отражение. Самое удивительное, что в результате мы слышим не кошачий концерт, а (как всегда у Гайдна) благозвучную мелодию.

Как-то в телевизионной передаче я наблюдал за двумя участниками, бегло говорившими в обратном направлении. Собственно, это распространенный среди школьников тайный язык (На Руси таким языком-перевертышем пользовались офени - торговцы вразнос - и бурсаки. - Прим. перев), когда «оволс аз оволс» перевертывается задом наперед. Но в данном случае привлекало внимание то, что мелодия исполнялась «в правильном направлении», а весь текст о «малышке Гансике» - в зеркальном. О такой возможности не подумал даже Гайдн. Если бы в его распоряжении находились шесть таких телезвезд, то он мог бы поручить им повторно пропеть каждую из шести его мелодий с зеркальным произнесением текста. Тем самым он задал бы работу 12 певцам, из них 11 воспроизводили бы либо текст, либо мелодию в зеркальном отражении.

ОПЕРАЦИИ СИММЕТРИИ (СИММЕТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ) В КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКЕ

1. Вращение вокруг оси. Возможны повороты только на 60, 90, 120 и 180°.

2. Отражение в зеркальной плоскости.

Операции симметрии

3. Совместное вращение и отражение.

4. Скользящее отражение. При этом узел решетки испытывает одновременно отражение и некоторое смещение.

Операции симметрии

5. Винтовые оси обусловливают поворот на 60, 90, 120 или 180° и одновременно смещение (трансляцию) узла решётки вдоль оси вращения. Возможны левые и правые винтовые оси.

ЧЕМ МЕДЛЕННЕЕ, ТЕМ БОЛЬШЕ

Наша шкала (абсолютных) температур носит имя английского физика лорда Кельвина (1824-1907). Прежде чем стать бароном, он был просто Уильямом Томсоном. Томсон, лорд Кельвин, выполнил основополагающие исследования в области термодинамики и учения об электричестве. Однако нас интересуют рассуждения Томсона о возникновении кристаллов. Ведь кристаллы не просто существуют от века в неизменном виде. Они должны зарождаться и расти. Томсон продумал вопрос о том, где и как образуются кристаллы, и установил, что они развиваются путем осаждения из растворов. Сахар в виде крупных кристаллов - так называемый кандийский сахар - кристаллизуется из водных растворов, графит - из жидкого железного расплава. Кристаллы льда - при замерзании воды.

Бывают и твердые жидкости (вспомните о стекле). Из твердых растворов тоже могут возникать кристаллы. Однако они образуются не только из растворов, но и из газов или паров при непосредственном переходе вещества из газообразного состояния в твердое. В таких случаях говорят о сублимации, или возгонке. Из прозрачного зимнего воздуха выпадает кристаллический иней, оседающий на кустах и деревьях. Стекла автомобилей за ночь покрываются льдом, хотя никаких признаков появления жидкости перед тем не наблюдалось.

В какой-то момент, рассуждал Томсон, несколько атомов или молекул должны как-то соединиться воедино, чтобы образовать по крайней мере одну элементарную ячейку будущего кристалла. И тут последовала типично научная постановка вопроса: какова вероятность образования подобной ячейки, кристаллического зародыша, крохотного кристаллика?

Когда речь идет о величинах атомного или молекулярного порядка, в большинстве случаев не имеет смысла говорить о каком-то определенном событии. Осмысленным является лишь вопрос о вероятности этого события. Затмение Луны наступает с точностью до секунды и может быть предсказано за 1000 лет вперед. Но вот столкнутся ли между собой гдве молекулы газа - об этом можно судить только в вероятностной форме.

Верхняя грань (001) растет быстрее всех других граней. Вследствие этого она становится все меньше и в конце концов исчезнет совсем

Весьма типичен и способ, с помощью которого Томсон решил поставленную проблему. Он обратил внимание на то, что и вода, и снег способны улетучиваться. Значит, они обладают определенным давлением паров. Если это давление достаточно велико по сравнению с внешним давлением в окружающей среде, то вода или снег испаряются. По мере того как масса воды уменьшается и наконец становится столь малой, что образуется капля, все большую роль начинает играть ее поверхность. Томсону удалось показать, что при весьма малых диаметрах капелек давление пара возрастает необычайно резко. Отсюда всякая маленькая капля или кристалл становятся крайне неустойчивыми, и вероятность их «выживания» (сохранения) очень низка. В сущности, образование кристалла при таких условиях становится вообще невозможным. К счастью, однако, природа располагает средством обходить закон Томсона. Оказывается, при образовании капелек на всех неровностях, углах и прочих выступах отлагаются мелкие кристаллические зародыши, которые увеличивают диаметр капельки. Благодаря этому давление пара в капельке понижается и устойчивость ее возрастает. Не случайно слабый иней прежде всего оседает на тонких ветках и проводах, а лужи всегда замерзают с краев (у неровных выступов).

Кстати, когда при восточном ветре выпадает иней, в какую сторону бывают направлены ледяные кристаллики? Те, кто не родился в горах, склонны представлять себе форму растущих кристаллов обтекаемой: дескать, зародыш возникает под защитой ветви и растет по ветру. Неверно! Зародыши образуются на наветренной стороне, и иней растет против ветра, или, лучше сказать, навстречу «привнесу материала», который обеспечивается ветром. Взаимоотношения при образовании зародышей мы можем наблюдать также в нашем домашнем обиходе. Интересно, что тут есть наблюдения, любопытные и для мужчин, и для женщин.

Первое наблюдение - для представительниц женского пола. При варке фруктов или овощей на поверхности воды непосредственно перед закипанием образуется пена, в которой собираются все сорные частицы. Хорошая хозяйка в этот момент - пока еще не началось бурление - снимает пену шумовкой. Что тут произошло?

Вода в некоторых местах нагрелась до температуры кипения. Образовались мельчайшие пузырьки, сами по себе неустойчивые. Чтобы увеличить свой радиус и тем самым повысить вероятность собственного сохранения, они прицепляются к частицам сора. Благодаря этому пузырьки могут расти и вместе с мусором поднимаются кверху. Этим примером я обязан моей жене. Но и поварам-мужчинам, несомненно, знакомы такие наблюдения.

Теперь обратимся к эксперименту для мужчин (но да будет замечено, что и женщинам отнюдь не возбраняется его провести). Нальем в стакан напиток, содержащий углекислоту. Смотря по степени жажды (в том числе и жажды знаний), это может быть газированная вода, пепси-кола, пиво или шампанское. Подождем, пока исчезнет пена и жидкость перестанет пузыриться. Если теперь опустить в напиток ложку или соломинку, пузырьки тут же начнут образовываться снова.

Обратимся теперь к росту кристаллов. Но прежде нам придется еще раз вернуться к Платоновым телам. Мы уже однажды установили, что все они принадлежат кубическим классам симметрии. Открытым остался вопрос о том, как возникают отдельные грани. Представьте себе мысленно куб, или гексаэдр, как говорил Платон. Потом возьмите (тоже мысленно) острый нож и обрежьте все восемь его вершин. На кубе появятся треугольные грани. Будем увеличивать их размеры, последовательно отрезая новые параллельные плоские ломтики. Соответственно площадь прежних граней будет становиться все меньше и меньше, пока наконец совсем не исчезнет. Куб превратится в октаэдр. Можно провести и обратный эксперимент - снова сделать из октаэдра куб, мысленно уменьшая площади треугольных граней. Очевидно, что на любой стадии такого преобразования плоскости симметрии сохраняют свое положение.

Рассмотрим для контроля плоскости, проходящие через грань куба. Их всего четыре. Две из них делят стороны (ребра) пополам, другие две совпадают с диагоналями квадрата.

Грань куба в октаэдре свелась к точке, но четыре плоскости симметрии остались при этом неизменными. Можно сказать, что в принципе в кубическом кристалле всегда присутствуют кубические и октаэдрические грани. Какая из этих граней появится на реальном кристалле, зависит от соотношения скоростей их роста. Ведь грань кристалла может расти только в том направлении, откуда поступает строительный материал.

Давайте-ка рассмотрим три грани: две кубические и одну октаэдрическую. Допустим, что грань куба растет вдвое быстрее, чем грань октаэдра. То, что грани куба оказываются в более благоприятном положении, на самом деле лишь допущение. В действительности все может оказаться совершенно по-другому. Ну а при сделанном нами допущении многие, вероятно, подумают: раз кубические грани растут быстрее, значит, образуется куб. Однако это очень далеко от истины. Хотя грани куба будут делаться «толще», их размер станет уменьшаться, пока они в конце концов не исчезнут совсем, уступив место грани октаэдра. Чем медленнее она будет расти, тем сильнее окажется развита на кристалле.

Существуют различные теории относительно того, почему частицы на гранях одной ориентировки осаждаются охотнее, чем на гранях другой. Но во всех случаях не следует забывать, что мельчайшие частицы отдают предпочтение углам и выступам. По этой причине они склонны наращивать «толщину» граней, имеющих не вполне гладкую поверхность. Если частицы осаждаются на неровной поверхности, ее неровности перемещаются. Одной из возможных неровностей мог бы явиться маленький поверхностный дефект спиральной формы. В процессе осаждения частиц спираль продолжает расти. Подобные спирали действительно обнаружены на некоторых кристаллах. При растворении кристаллов образование граней происходит соответственно в обратном отношении к скорости: чем быстрее удаляется материал с грани, тем она становится больше.

Одно дополнительное замечание. Вы можете встретить в учебниках такие обозначения: (100) - для кубических и (111) - для октаэдрических граней. Если даже отыскать в справочнике эти числа («индексы Миллера»), то запомнить, что они означают, не так-то просто. Рекомендуем заметить себе: грань куба пересекает одну из трех осей прямоугольной системы координат (1), а обе другие не пересекает (00). Грань октаэдра пересекает все три оси (111).

ОСНОВНЫЕ ПОСТРОЕНИЯ, ОСНОВАННЫЕ НА СИММЕТРИИ

Как разделить отрезок пополам.

Как разделить отрезок пополам

Как разделить угол пополам.

Как разделить угол пополам

Как восстановить перпендикуляр в заданной точке.

Как восстановить перпендикуляр в заданной точке

Как опустить перпендикуляр из задней точки.

Как опустить перпендикуляр из задней точки

Как провести параллельную прямую.

Как провести параллельную прямую

МАТЕМАТИКА ДЛЯ ПРОДАВЦОВ ФРУКТОВ

Яблоки, апельсины, грейпфруты, лимоны - излюбленные декоративные элементы оформления витрин. Для привлечения покупателей из них обычно выкладывают красочные плоские фигуры или пирамиды. Для выкладки плоских фигур могут использоваться и более мягкие фрукты и овощи - такие, как персики или помидоры.

В самом простом случае продавец фруктов или овощей ставит в витрину ящик с помидорами или персиками. Оценим наметанным глазом, соотносятся ли длины сторон ящика как 1: √ 2. «Фруктовый товар» прибывает из самых различных стран, поэтому ящики неодинаковы по величине. И все же вид этих ящиков тем привлекательнее, чем ближе их пропорции к идеальному соотношению.

В пределах одной прямоугольной системы координат грани всегда остаются одинаковыми, на какое бы расстояние их не перемещали параллельно самим себе

Затем нас будет интересовать степень использования объема при упаковке. Цитрусовые поступают обычно с Балкан, из Африки или из других отдаленных южных краев. Перевозка их всегда стоит дорого. Поэтому фрукты должны быть упакованы не только хорошо (во избежание потерь), но и рационально, компактно (для сокращения транспортных расходов, чтобы не возрастали цены).

Возьмем ящики с помидорами. Простоты ради допустим, что все они имеют одинаково красивую форму и равную величину. Сделаем еще одно допущение - что стороны ящика имеют длину, кратную диаметру помидора. Потом возьмем и упакуем шары-помидоры так, чтобы они красиво улеглись в аккуратные прямые ряды, соприкасаясь между собой боками. В сущности говоря, упакованный подобным образом ящик сплошь состоит из квадратов, в которые вписаны круги. Площадь квадрата составляет 1Х1 = 1, если в качестве масштаба выбрать диаметр помидора. Площадь проекции помидора, напротив, равна лишь π • 0,5^2 = 0,785. Соответственно площадь ящика использована для укладки помидоров только на 78,5%.

При укладке ровными прямыми рядами диски или шары заполняют площадь на 78,5%

Однако на деле фрукты и овощи круглой формы бывают уложены иначе - не в прямые ряды, а в пустые гнезда. Первый ряд вдоль длинной стороны ящика касается этой стороны и прилегает к обеим ограничивающим его коротким сторонам. Пока все обстоит так же, как и в первом случае. Но второй ряд уложен в гнезда. Выигрыш очевиден и состоит в том, что помидоры теперь несколько сдвинулись кверху. Проигрыш заключается в появлении двух пустот справа и слева в конце ряда. Третий ряд, хотя и уложен тоже в гнезда второго, но представляет собой точное зеркальное отражение первого. Четвертый ряд снова отвечает второму и т. д. При укладке последнего ряда могут встретиться два случая: либо он окажется типа ряда 1, либо типа ряда 2. Во втором случае в ящик поместится на две половинки помидора меньше, чем в первом.

При плоской укладке в пустые гнезда диски или шары заполняют площадь на 90,6%

Возьмем фрагмент укладки из середины ящика. Приглядевшись, можно увидеть, что вокруг каждого кружка (помидора) располагаются шесть других кружков. Отдельные помидоры уже не вписываются в квадрат, вершина которого соприкасается с вершинами других (мысленных) квадратов, но никак не с помидорами. И четыре помидора вместе тоже не образуют квадрата: в наименьшую структурную единицу этой укладки входит всякий раз по 1/6 площади каждого из трех кругов, окружающих маленький участок свободной поверхности. Сопоставив их размеры, найдем, что степень использования площади при такой укладке возрастает до 90,6%. Это плотнейшая из известных нам плоских укладок шаров или дисков. Иначе говоря, мы не можем разместить на плоскости шары, помидоры или монеты одного достоинства (то есть размера), не оставив незанятой ее часть, равную 9,4% всей площади. Тем не менее расположение в гнездах с использованием площади в 90,6% - большое достижение по сравнению с укладкой ровными одинаковыми рядами, где этот показатель составляет лишь 78,5%.

В торговых залах больших магазинов кассы обычно устанавливаются одна за другой в длинный ряд. В случае если они больше не в состоянии совладать с натиском покупателей, их располагают «лесенкой», так удается вместить еще одну или две кассы при той же ширине зала. Станки в токарных цехах в большинстве своем сразу устанавливаются в «промежутках», чтобы возможно лучше использовать рабочую площадь.

Обычно в днище теплообменника стремятся вварить как можно больше труб, поэтому стараются расположить их наиболее рационально - в шахматном порядке: трубы верхнего ряда над промежутками между трубами нижнего ряда

Особенно важное значение имеет рациональное использование площади в теплообменниках. Теплообменник состоит из труб (в которых проходит жидкость), вваренных в общее днище. Эти трубы омываются жидкостью иной температуры. При этом температуры жидкостей вне и внутри труб выравниваются. Так как размеры всякого агрегата всегда стремятся сократить, то и трубы в теплообменниках стараются укладывать наиплотнейшим образом.

Французский мыслитель и ученый Блез Паскаль (1623-1662) посвятил шаровым упаковкам целый трактат. Он задался целью с помощью фигур (составленных из шаров) придать числам зримую наглядность. Представьте, что наш продавец фруктов вслед за Паскалем сооружает пирамиду, скажем из апельсинов. У Паскаля такая пирамида из шаров делала «зримой» третью степень. Во фруктовом магазине апельсиновая гора предназначена, естественно, не для того, чтобы напоминать нам о математике. Но если вам случилось немного задержаться в очереди у прилавка, посмотрите, как это делается. Сначала продавец выкладывает квадрат. Затем, глядя на свое произведение, он задумывается. Вы, не удержавшись, спрашиваете, над чем он ломает голову. И узнаёте, что всего лишь над тем, как из апельсинов, лежащих в этом квадрате, построить четырехгранную пирамиду. «Ну, - заявляете вы, - это ведь не так трудно. Надо попробовать». «Я уже пробовал, - отвечает продавец. - С четырьмя апельсинами не выходит, с шестнадцатью тоже, и с двадцатью пятью ничего не получается». Удивившись, вы складываете квадрат 5Х5. Потом пробуете: 3Х3=9 - в качестве основания, 4 - во втором ряду, 1 апельсин как завершение - итого лишь 14 апельсинов вместо 25, заготовленных для пирамиды. Потом вы кладете 4Х4=16 в основание, 9 во второй ряд. Это уже 25, а пирамида еще не готова. Вами обоими овладевает азарт. Продажа апельсинов прекращается. Покупателям объявляют, что они должны «принести жертву» на алтарь науки. Вы систематически перебираете все числа-квадраты - 9, 16, 25, 36, 49 и т. д., пытаясь преобразовать их в пирамиду.

При укладке в три слоя верхний слой шаров следует укладывать в гнезда между шарами среднего слоя. Если предварительно не условиться о том в какие именно ямки укладывать шары, укладка с двух сторон (навстречу друг другу) не совпадет

Наконец, либо на вас, либо на продавца нисходит то самое знаменитое «озарение»- одного из вас внезапно осеняет блестящая мысль пойти путем проб и ошибок. Вы теперь решаете задачу обратным путем, исходя не из подбора нужных размеров квадрата, а из наличия шаров - строите пирамиду сверху вниз (1, 4, 9 и т. д.) так долго, пока сумма всех использованных шаров не окажется квадратом какого-нибудь числа. Если у вас окажется под рукой карманный калькулятор, это не составит проблемы. Он быстро пересчитает вам по порядку все числа-квадраты в последовательных слоях: верхний слой 1, второй слой 4, третий слой 9 апельсинов и т. д. - и сложит результаты, то есть 1+4+9 и т. д. После каждого сложения он проверит, представляет ли собой полученное число квадрат. На 24-м слое окажется, что из 4900 апельсинов можно выложить квадрат 70Х70. Тем самым задача решена, и продавец может снять с двери табличку «Закрыто на приемку товара». Квадратное основание такой пирамиды составят 24Х24=576 апельсинов. «Давайте все же сложим маленькую пирамиду из апельсинов для витрины», - предлагает продавец. Вы с готовностью соглашаетесь и, усердно складывая апельсины, попутно объясняете продавцу, что не только в торговле возникают подобные проблемы, но, например, так же построены все кристаллы. Вам не удается закончить свои рассуждения, так как на третьем слое апельсинов, который вы с продавцом укладывали с двух сторон, узоры обеих укладок не сошлись. Решив обсудить эту проблему с продавцом, вы вконец расстроили бы торговлю. Но, может быть, вы уже поняли, в чем причина ошибки?

ПУТЬ К НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ

В одной из своих книг американский ученый Джеймс Д. Уотсон не без юмора и изрядной доли сарказма рассказывает о том, как он совместно с англичанами Френсисом Г. Криком и Морисом X. Ф. Уилкинсом открыл структуру генной спирали (носителя наследственности) (Уотсон Дж. Д. Двойная спираль. -М.: Мир, 1969). Эти трое ученых получили в 1962 г. за свое открытие Нобелевскую премию. Если верить Уотсону, то большую часть времени он проводил в поисках развлечений и лишь иногда для собственного удовольствия размышлял о том, как построить модель гена из маленьких шариков. Задача состояла в том, чтобы, зная примерное число и последовательность расположения атомов в молекуле ДНК, построить ее модель из шариков и стержней. Размеры шариков в модели соответствовали размерам атомов в молекуле ДНК. Например, радиус иона углерода составляет 0,016 нанометра (нм) (нанометр - миллионная доля миллиметра), а радиус иона калия 0,133 нм. Из курса химии вы, наверное, помните, что ионы - это «осколки» атомов, несущие электрический заряд. При изготовлении модели были использованы шарики диаметром около 3 см, что соответствовало увеличению в миллиард раз. Уотсон, Крик и Уилкинс должны были учитывать также химическую валентность элементов (углерод четырехвалентен, калий одновалентен) и их химическое сродство - склонность определенных элементов вступать в соединение друг с другом. Их работа, ставшая ныне классической, - яркий пример того, как, играя в шарики, можно получить Нобелевскую премию.

Здесь шары второго слоя единообразно лежат в соответственных пустых гнездах между шарами. Внимательный взгляд замечает', что каждый шар окружен шестью другими шарами (гексагональная упаковка)

Вы еще помните вопрос, заданный в конце предшествующего раздела: почему мотивы обоих рисунков в третьем слое не совпали? Очевидно, шары третьего слоя можно укладывать в промежутки между шарами второго слоя разными способами. Во втором слое имеются пустые гнезда, расположенные непосредственно над шарами первого слоя; обозначим их буквой А. Но есть и такие гнезда, под которыми шары отсутствуют; обозначим их буквой В. Через них сквозь оба слоя просматривается подложка.

Таким образом, при укладке шаров третьего слоя мы можем выбирать между гнездами А и В. Если положить шары в гнезда А, то есть над шарами первого слоя, и продолжать следовать этой схеме при укладке дальнейших слоев, то получится гексагональная (шестиугольная) структура. Но стоит нам предпочесть пустоты типа В, как возникает кубический мотив укладки.

Рассполагая достаточным запасом шаров, можно выкладывать попеременно один слой по схеме А, другой по схеме В. Только в пределах одного слоя нужно быть последовательным, выдерживая единую схему (любую из них), иначе рисунки укладки не совпадут между собой (В плотнейшей шаровой гексагональной упаковке слои чередуются по схеме: АВ-АВ-АВ. Соответствующая схема для плотнейшей кубической упаковки: ABC-ABC-ABC. Менее симметричные плотнейшие шаровые упаковки имеют схемы ABAC-ABAC-ABAC, АВСАСВ-АВСАСВ-АВСАСВ и т. д. - Прим. ред).

Гексагональная ячейка обладает плотнейшей шаровой упаковкой. Атомы располагаются в пустых гнездах между шарами. Для большей наглядности шары изображены мельче их действительного размера и потому не соприкасаются между собой

Конечно, и в этом случае возникает вопрос об использовании объема. Как мы помним, использование площади при укладке «в гнезда» составило 90,6%. При некотором воображении мы можем представить себе мысленно вырезанный из нашей шаровой упаковки элементарный куб. Он будет включать 8 угловых шаров и 6 шаров, расположенных в центрах каждой из граней куба. Такая структура носит в кристаллографии название «кубическая гранецентрированная структура».

Однако, сказав только что, будто в углах куба находятся 8 шаров, мы были не вполне правы. Ведь эти шары вместе с тем принадлежат и другим кубам, смежным с нашим. В каждом угл стыкуются между собой 8 совершенно одинаковых элементарнь/ кубов. Поэтому каждый угловой шар лишь на У8 относится выбранному нами кубу. Несколько лучше обстоит дело с шестью шарами, расположенными на гранях: ведь по каждой грани соприкасаются лишь 2 элементарных куба. Соответственно любой такой шар принадлежит каждому из смежных кубов наполовину. Следовательно, общее число шаров в кубе составляет 8 • 1/8+6 • 1/2 = 4. Отсюда рассчитывается степень заполнения объема в 74%, то есть она ниже, чем степень заполнения площади.

Существует ли лучший способ, использования объема? Нет Такой способ не известен: кубическая гранецентрированная и гексагональная решетки представляют собой наиплотнейшие из всех возможных упаковок шаров. Из 72 известных нам металлов 55 кристаллизуются на основе плотнейшей шаровой упаковки Что касается остальных, то кристаллическая структура 10 из них все же гарантирует высокое (хотя и не самое высокое) заполнение объема. И лишь 7 металлов (среди которых нет ни одного важного) имеют структуру, обнаруживающую плохое использование объема. Металлическое состояние прямо-таки требует высокой плотности упаковки атомов.

Кубическая пространственная решетка является либо кубической гранецентрированной с плотнейшей упаковкой в 74% (вверху), либо кубической объемно-центрированной с плотностью упаковки 68% (внизу)

Приглядевшись к шаровым упаковкам, изображенным на рисунках, вы заметите, что в некоторых направлениях плоские слои шаров сравнительно легко поддаются смещению. Вот откуда у металлов хорошо выраженная склонность к деформации. Здесь важную роль играет также высокая симметрия плотнейших упаковок: именно благодаря ей становится возможной деформация большинства металлов во многих направлениях. Последнее обстоятельство отнюдь не является самоочевидным. Существуют вещества с кристаллическими решетками, допускающими деформацию лишь в одном направлении или обнаруживающими предпочтительное направление, по которому они легко колются, как в случае алмаза.

Мы теперь принимаем как само собой разумеющееся, что металлы и другие вещества имеют кристаллическое строение и что в отдельных точках (узлах) их кристаллической решетки располагаются атомы. Не сомневаемся мы и в том, что атомы могут быть с соблюдением масштаба представлены шариками для пинг-понга, апельсинами или иными круглыми предметами. Однако наши предки даже представить не могли себе, что плотная материя настолько рыхла. Потребовалось немалое воображение и многие десятилетия, чтобы поверить, что неисчислимое многообразие окружающего нас мира «построено» из менее чем сотни основных «кирпичиков» - химических элементов. И если ,все это действительно так, то почему атомы должны быть обязательно шарообразными? Казалось бы, куда «разумнее» представлять их себе в виде кубиков. Ведь, составленные вместе, такие кубики как раз и образовали бы ту плотную, непроницаемую материю, с которой мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни. Ну что сказать на это? Конечно, атомы не шары. Но в большинстве случаев они ведут себя таким образом, что их удобно представлять именно в форме шариков. Иногда их удобнее описывать или изображать как крохотные планетные системы, где вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Физики с успехом описывают атомы как волны. Для каждого из этих подходов существуют свои достаточно веские основания. Главным из них всегда служит предоставляемая той или иной моделью практическая змоэкность понять различные состояния атома или материи.

Если на это последует возражение, что, мол, должно все-таки существовать действительно правильное (то есть единственно верное) описание атома, то можно задать встречный вопрос: а почему, собственно, так должно быть? Здесь остается еще широкое поле деятельности для теоретиков и философов. В практичности же нашей «шариковой» модели убеждают связанные с нею большие успехи в области науки и техники.

Не только Уотсон и его коллеги получили Нобелевскую премию за работы с шариками-атомами. Еще в 1914 г. физик Макс фон Лауэ (1879-1960) был удостоен этого высокого международного отличия за доказательство того, что вещество «состоит из шариков с дырками между ними».

В 1912 г. в одном из мюнхенских кафе регулярно собиралась компания естествоиспытателей. Разумеется, и на досуге они обсуждали волновавшие их научные проблемы. Нередко можно было услышать: «А следовало бы как-нибудь...» Когда однажды возник спор о соотношении (предполагаемом) величин атомов разных элементов и о длине (тоже предполагаемой) волны рентгеновского излучения, то кто-то заметил: «А следовало бы как-нибудь поставить опыт, чтобы проверить, в такой ли мере соответствуют размеры атомов длинам волн рентгеновских лучей, чтобы последние испытывали дифракцию на атомных структурах».

Лауэ отправился в лабораторию и поручил своим ассистентам Вальтеру Фридриху (1885-1968) и Паулю Книппингу (1875-1935) провести эксперимент. Установили рентгеновскую трубку, перед ней поставили кристалл каменной соли, а за кристаллом - фотопластинку. На пластинке возникло изображение в виде характерного узора, подтвердившего разом и волновую природу излучения, и то, что структура кристалла представляет собой пространственную решетку. В последующие годы были развиты методы измерения междуатомных расстояний. Размеры решеток металлов (по ребру элементарного куба) оказались порядка 4 нм.

О РАЗЛИЧНЫХ ВИДАХ СВЯЗЕЙ

Когда ученые выяснили, что неорганический мир (за немногими исключениями) построен из кристаллов, в этой области исследований началась настоящая лихорадка. Рентгенологи просвечивали все известные вещества и измеряли получаемые на фотопластинках изображения в виде точек или линий (полос). Одни ученые устанавливали математические зависимости между явлениями, наблюдаемыми на рентгеновской пленке, и расположением атомов в кристаллах. Другие - приобретали цветные шарики разных размеров (соответствующие диаметрам атомов различных элементов) и сооружали из них решетки Браве.

Игра в шарики становится особенно увлекательной, когда в строении одного кристалла участвует не менее двух видов атомов. При этом обнаружились два интересных для нас случая. Некоторые кристаллы состоят из одного химического соединения. Наиболее известный пример являет собой наша обыкновенная поваренная соль, имеющая состав NaCl. Ее кристаллы состоят соответственно из ионов Na+ радиусом 0,098 нм и иона Сlw- радиусом 0,181 нм. Как рентгенографические исследования, так и модель, построенная из шариков, показали, что в кубической решетке поваренной соли ионы натрия и хлора чередуются между собой (через один). Можно рассматривать эту решетку как единое целое, не проводя различия между Na и Сl .Но структура NaCl может рассматриваться и как совокупность двух вставленных друг в друга гранецентрированных кубических решеток, одна из которых построена из атомов хлора, а другая из атомов натрия. Две равноценные симметрии накладываются друг на друга, что ведет к возникновению новой симметрии решетки. Последняя имеет то преимущество, что положительно и отрицательно заряженные ионы могут в ней электрически взаимно нейтрализоваться. Такую решетку называют ионной.

Схема классического опыта Макса фон Лауэ. Рентгеновский луч проходил сквозь кристалл NaCl и падал на фотопластинку. Поскольку вследствие дифракции луч при этом отклонялся, были одновременно экспериментально доказаны как атомное строение кристалла, так и волновая природа излучения

Иная структура, и она нас особенно интересует, присуща металлам. В предыдущем разделе мы уже говорили о том, что большинство металлов имеет высокосимметричные кристаллические решетки с соответствующей плотностью упаковки атомов.

Как правило, рассматривая отшлифованную и протравленную поверхность металла под микроскопом, мы не обнаружим никакого намека на симметрию. Дело в том, что в процессе затвердевания металла его кристаллы взаимно мешают друг другу расти и приобретать форму, отвечающую их действительной симметрии. Однако металловеды нашли способ получить кубические кристаллы металла. Для этого они используют металлические сплавы, один из компонентов которых кристаллизуется гораздо раньше остальных.

Так, при затвердевании сплава сурьмы, олова и свинца вначале выделяются кристаллы, богатые сурьмой, которые образуют очень красивые кубики. Оставшаяся часть сплава кристаллизуется почти одновременно, при этом возникающие кристаллы мешают друг другу проявить присущую им правильную внешнюю форму.

Рентгенограмма обнаруживает ту же симметрию, что и расположение атомов в кристалле NaCl

Заметим, кстати, что для технических целей почти всегда используются не чистые металлы, а их сплавы с другими веществами. Особые свойства, благодаря которым сплавы и находят применение, определяются именно содержанием в них тех или иных компонентов. Чистые металлы применяются лишь в особых случаях. Когда говорят о железе как о техническом материале, то обычно имеют в виду чугун, содержащий около 5% компонентов-примесей. В составе стали присутствует от 0,5 до 30% различных добавок. Некоторые алюминиевые сплавы содержат присадки магния.

Конечно, для всех сплавов построены красивые модели из цветных шариков. Мы тоже можем, мобилизовав собственную фантазию, мысленно разобрать важнейшие варианты. Допустим, атомы двух металлов значительно разнятся по своим радиусам (обратите внимание: металлы не являются химическими соединениями, и потому мы снова говорим об атомах, а не ионах!). Им трудно или даже невозможно построить общую решетку. Такие металлы «нерастворимы» один в другом. К примеру, атомный радиус железа 0,126 нм, свинца - 0,175 нм. Благодаря этому свинец можно плавить в железном сосуде. Даже наши бабушки использовали это свойство свинца при традиционном гадании в канун Нового года.

Сравните симметрию решетки кристалла и рентгенограммы. Обратите внимание на постоянное чередование ионов Nasup+/sup и Сlsup-/sup в структуре кристалла. Решетка из Nasup+/sup -ионов вставлена в решетку из Сlsup-/sup -ионов

Однако большинству металлов свойственна (в определенных пределах) взаимная растворимость. При этом опять-таки возможны два случая. Либо атомные радиусы металлов столь близки, что их атомы могут подменять друг друга, либо же одни атомы настолько малы, что по своей величине подходят к промежуткам между другими, более крупными атомами.

Железо и никель имеют почти одинаковые атомные радиусы и могут свободно замещать друг друга в решетке. Напротив, атом углерода гораздо меньше атома железа. В силу этого при высоких температурах до 0,1% углерода может размещаться в гнездах кристаллической решетки железа. Если 0,1% покажется вам слишком малой величиной, примите во внимание то обстоятельство, что только человеку присуще вести счет на весовые проценты, природа же процентного исчисления «не знает». Она «считает» просто.

Атомная масса железа около 56, углерода - лишь 12. Следуя в своих подсчетах природе, чтобы получить «поштучные проценты», нам придется выраженное в весовых процентах значение умножить приблизительно на 5. Согласно такому расчету, при температурах порядка 700° С каждый двухсотый атом в решетке может принадлежать углероду. Между тем железо имеет особое свойство: оно меняет свою кристаллическую структуру в зависимости от температуры. Выше 906°С устойчива плотнейшая кубическая гранецентрированная упаковка, в которой и находят себе место атомы углерода. Ниже этой температуры железо приобретает кубическую объемно-центрированную решетку, что сопровождается снижением степени использования объема до 68%. Хотя при этом суммарное процентное содержание пустот в решетке возрастает по сравнению с плотнейшей кубической упаковкой, отдельные реально существующие гнезда становятся меньше. Атомы углерода уже не могут разместиться в них и вытесняются из решетки. С этим связаны явления, наблюдаемые при закалке стали.

Кристаллы молибдена растут от края к середине. Обратите внимание, как некоторые кристаллы после непродолжительного роста 'уничтожаются' их соседями. Здесь ничто не напоминает о кубической симметрии кристаллов молибдена. (Увеличение 200 : 1.)

Желая использовать в полной мере такие свойства стали, как твердость и прочность, металлург посредством введения других, легирующих компонентов увеличивает трудности, которые испытывает атом углерода при своем вхождении в кристаллическую решетку железа. Ведь атом не может просто исчезнуть из железа. В сталях, содержащих от 0,05 до 1,0% углерода, превращение железа буквально застигает атомы углерода «врасплох». Им не остается ничего иного, кроме как частично сохраниться в решетке железа в качестве чужеродных тел, вызывая ее деформацию, а тем самым повышение твердости и упрочнение.

Металлург знает при этом, какие следует принять меры (отпуск, отжиг), чтобы деформировать решетку железа ровно настолько, насколько нужно. Однако для того, чтобы разъяснить эти процессы в деталях, потребовалась бы целая книга. Как уже говорилось, для повышения твердости и прочности стали структурные превращения железа - идеальное средство. Но, к сожалению, иначе обстоит дело, когда необходимо повысить пластичность железа. Кубические гранецентрированные решетки с плотнейшей шаровой упаковкой поддаются растяжению проще и легче, чем другие типы кристаллических решеток.

КАК БЫЛА ОТКРЫТА НЕРЖАВЕЮЩАЯ СТАЛЬ

После первой мировой войны фирма Крупна энергично искала пути увеличения прибылей. В лабораториях концерна велись интенсивные исследования, направленные на получение новых видов металлургической продукции. Среди многих сотрудников там работал и молодой металлург д-р Маурер. Однажды, роясь в ящиках стола в поисках каких-то документов, он наткнулся на старые образцы стали. По привычке машинально пробежав глазами номера опытных серий на обертках, он совсем уже было отложил их, как вдруг замер от неожиданной догадки. Образцы были выплавлены давно, но не отвечав тогдашним целям и были заложены в дальний угол стола, где и пребывали в полном забвении. Однако д-р Маурер сразу отметил один факт, мимо которого прошли многие, в чьих руках до того побывали отливки: образцы не заржавели!

В лабораторной атмосфере, богатой парами различных химических соединений, сталь ржавеет очень быстро. Однако эти образцы с номерами V2A сохранили чистую блестящую поверхность, лишенную малейших следов коррозии. Немедленно приступили к дальнейшим исследованиям, которые показали, что путем введения надлежащих добавок хрома и никеля можно стабилизировать плотнейшую кубическую упаковку железа, сделав ее устойчивой и при комнатной температуре.

Кубическая структура металла (сплав свинца, олова и сурьмы) видна благодаря тому, что при затвердевании из расплавленной смеси сначала выделяются богатые сурьмой кубические кристаллы, которые определенное время имеют возможность свободно расти (Увеличение 100 : 1.)

Переход при 906° С от гранецентрированной пространственной решетки, где есть место для-атомов углерода, к объемно-центрированной решетке с худшим использованием объема полностью подавляется, если около 25% атомов железа заместить хромом и никелем.

Так была открыта нержавеющая сталь. А в голове ее первооткрывателя уже роились новые идеи. Впоследствии он внес большой вклад в создание металлургической промышленности ГДР. Когда профессор д-р Эдуард Маурер бывал в хорошем расположении духа (что случалось не слишком часто), он рассказывал, чем для него кончилась эта история: «За то, что я спас Крупна от банкротства, мне заплатили 4 тыс. марок. Вечером, уходя из дома, я прихватил их с собой, а по пути назад остаток сунул кому-то на улице». В то время в Германии началась инфляция, и покупательная способность этих денег была исчезающе мала.

Путем двойникования соединяются в одно целое две атомные структуры с различной ориентировкой кристаллических решеток. Двойники зеркально подобны друг другу

Я привел здесь эту историю прежде всего потому, что она прекрасно иллюстрирует подчиненное положение, которое в бы-в лые времена отводилось ученому в промышленности. Кроме того, она показывает, как полезно «удивляться», и наконец, подводит нас к проблеме зеркального отражения.

Рассматривая нержавеющую сталь под микроскопом, мы увидим кристаллу с поперечными полосами, напоминающими ленты. Как показали исследования, на границе между кристаллом и такой «лентой» позиции атомов соотносятся между собой как прямое и зеркальное изображения. В таких случаях металлографы говорят о двойниковании.

У некоторых минералов двойники образуются при простом механическом давлении

Существует много способов образования двойников у кристаллов. Ряды атомов нарастают в обе стороны от какой-нибудь плоскости или оси в кристалле, находясь между собой в зеркальном соответствии. Реже удается получить двойники некоторых кристаллов давлением. Если нажать на кристалл известкового шпата ножом, то часть кристалла отскочит в позицию зеркального отражения по отношению к другой его части. При этом миллионы атомов и атомных рядов как бы «подчиняются» одному приказу. Они внезапно перескакивают в новое положение. Нас поражает также тот факт, что они попадают при этом точно в позицию зеркального отражения. Казалось бы, проще все-таки представить себе движение, ведущее к более или менее значительным отклонениям от такого (зеркального) положения.

Двойниковый кристалл гипса. Возраст кристалла - около 50 млн. лет

Разумеется, атомы «не знают» ничего ни о зеркалах, ни о зеркальных отражениях. Они всегда приводятся в положения, которым соответствует минимум энергии. (Камень на вершине горы обладает максимумом энергии, а в долине - минимумом, поэтому он катится не вверх, а вни!з по склону.) Такой энергетический минимум обеспечивается только в регулярной решетке. Однако две различные позиции в решетке лишь тогда могут взаимно сочетаться, не вызывая ее искажения, когда они находятся между собой в зеркальном соответствии. Между тем существуют десятки марок сталей, имеющих при комнатной температуре такую же пространственную решетку, какую чистое железо имеет лишь при температуре выше 906° С. В честь металлурга У. Робертса-Остена (1843-1902) железо с этой решеткой называется аустенитом. Стали, характеризующиеся такой упаковкой, получили название «аустенитные стали».

С помощью травления металлографам удается выявить в кристаллах участки различной ориентировки. Там, где на фотографии видны полосы, пересекающие кристалл, присутствуют двойники. (Увеличение 200 : 1.)

Собственно говоря, слово «нержавеющая» сейчас используется только применительно к стальным столовым приборам и предметам домашнего обихода. Аустениты ныне настолько усовершенствованы, что одни из них стали устойчивыми против различных химических веществ, другие выносят воздействие горячих агрессивных газов и паров. Применение аустенитов составило особую отрасль техники. Аустенитная сталь немагнитна и по этому признаку легко отличима от обыкновенных сталей. Это вызывает особый интерес к аустенитной стали как к стратегическому материалу. Так, после вступления ФРГ в НАТО на ее верфях были заложены подводные лодки. Чтобы эти лодки нельзя было обнаружить с помощью радиолокатора и дабы обезопасить их от магнитных мин, корпуса лодок решили изготовить из аустенитной стали. Из соображений секретности металлургам не объяснили, для чего предназначается заказанный им металл. В результате был изготовлен аустенит, неустойчивый против морской воды. Хотя эта сталь и называлась нержавеющей, но под действием морской воды в корпусах лодок стали появляться трещины. Вследствие этого одна из лодок вместе с экипажем и со всем, что на ней находилось, затонула в Северном море, а остальные пришлось пустить на слом.

СОВЕРШЕНСТВО С МЕЛКИМИ ИЗЪЯНАМИ

В ходе наших предыдущих рассуждений о плотнейших шаровых упаковках кому-нибудь, наверное, приходила в голову мысль, что такие упаковки способны возникать не только путем тщательной укладки атомов один к одному, но и случайно. Ради опыта можно было бы взять ящик с шарами, потрясти его хорошенько и потом исследовать структуру упаковки. Такой эксперимент и был проведен. Однако при этом никогда не получалась плотнейшая упаковка шаров с заполнением объема в 74%, обычно плотность упаковки составляла около 60%. Очевидно! что кристаллы приобретают свое строение не случайным образом, здесь существует какая-то закономерность. Не даром кулек с горохом или крупой всегда используется лишь на 50-60% своего объема.

Голландский кристаллограф Фриц Лавес исследовал вопрос о том, какова самая рыхлая (наименее плотная) упаковка атомов, вообще возможная в кристаллах. Она ведь должна быть построена таким образом, чтобы некоторые атомы все же соприкасались между собой, иначе не сможет возникнуть твердое тело. Лавес пришел к решетке с заполнением объема в 5,5%. Однако в природе, по-видимому, таких кристаллов не бывает.

После того как ученые разобрались в строении кристаллов, они взялись за определение их теоретической прочности. Это в принципе очень просто. Между атомами действуют силы связи, величина которых с достаточной точностью устанавливается физикой твердого тела. Из таких частных сил, естественно очень малых, слагаются общие суммарные силы. Пожелай кто-то разорвать кристалл металла, и ему придется преодолеть эти суммарные силы связи.

Из подобных соображений следовало, что прочность металлов на разрыв должна составлять около 10 000 Н/мм^2. Однако в действительности металлы имеют прочность, к сожалению, лишь от 100 до 1000 Н/мм^2.

Так не значит ли это, что теория сил связи в кристаллах неверна? Несколько поколений исследователей размышляли над этим вопросом. Вычисления и эксперименты подтвердили правильность теории. Однако упаковка кристаллов, увы, не столь безупречна, как в случае с нашими шариками для пинг-понга. И здесь тоже обнаруживается, что, хотя природа в общем и целом построена симметрично, в мелочах она допускает отклонения.

Все наши кристаллы содержат дефекты, или, как говорят кристаллографы, дислокации. Теоретически эти дислокации снижают возможную прочность кристаллов более чем на 90%. В настоящее время мы уже научились выращивать вполне или почти бездефектные кристаллы, прочность которых на порядок выше значений, чем у ранее известных материалов. К сожалению, такие кристаллы очень невелики. Стоит вырастить их более крупными, как вновь появляются дефекты. В технике подобные бездефектные высокопрочные кристаллы металлов или углерода называют нитевидными. Нет сомнения, что в обозримом будущем удастся создать методы изготовления бездефектных материалов больших размеров. Успешные опыты по выращиванию крупных монокристаллов высочайшей частоты проведены в ходе осуществления совместного советско-американского космического проекта «Союз-Аполлон» и позднее на советской орбитальной станции «Салют-5». В этих экспериментах использовались условия невесомости и высокого вакуума, присущие космическому пространству.

Из мелких шариков можно построить решетку, которая, подобно природным кристаллам, содержит дефекты в форме дислокаций. Эти дефекты удивительным образом всегда устраняются сами собой

Тем не менее мы можем констатировать следующее: раз в реальных кристаллах симметрия «вплоть до последнего атома» не выдерживается, нельзя использовать теоретические значения прочности, рассчитанные для идеальных кристаллов. Как только будет решена проблема создания бездефектных материалов в промышленных масштабах, наши мосты, железнодорожные вагоны, краны и самолеты станут гораздо легче.

СПРАВА-ТАМ, ГДЕ БОЛЬШОЙ ПАЛЕЦ

Мы теперь знаем, что «двойники» бывают не только у людей, но и у кристаллов. Специалисты уверяют, и это кажется правдоподобным, что ряды атомов и молекул в двойниковых кристаллах соотносятся между собой так же, как прямое и зеркальное изображения. Мы говорим, следуя традиции: часть кристалла полевого шпата повернута в положение зеркального отражения. Но, конечно, мы могли бы также сказать: часть кристалла полевого шпата повернута от положения зеркального отражения в положение прямого изображения.

Здесь можно возразить, что, прежде чем появится зеркальное изображение, должно существовать прямое. Разумеется, так оно и есть, когда речь идет о зеркале. Но в кристаллах мы имеем дело с зеркальной плоскостью, или плоскостью (зеркального) отражения, то есть с плоскостью симметрии. А плоскость симметрии - это не зеркало из стекла или металла, хотя со словами «зеркало», «зеркальная» в нашем представлении ассоциируется целый ряд явлений, которые мы ожидаем здесь увидеть. В действительности же это чистая условность, вопрос определения или произвольного выбора, какую из частей двойникового кристалла я назову прямым, а какую - зеркальным изображением. Лишь в том случае, когда я сам получаю двойник или когда мне известно, в какой последовательности возникли обе половинки двойника, у меня будет известное право называть исходную (ранее возникшую) его часть прямым изображением. Но если я вижу двойниковый кристалл впервые, то какую его сторону считать зеркальным изображением - дело вкуса.

'Двойники' бывают не только у кристаллов, но и у людей, только в этом случае их называют 'двойняшки'

Мы, европейцы, пишем слева направо и потому в общем случае принимаем левую часть кристалла за исходную. Даже в газетных историях в картинках, где изо рта у персонажей вылетают «речевые пузыри», существует молчаливая договоренность между художником и читателем, что прежде говорит фигура слева, а потом фигура справа. Надо думать, у арабов или других народностей, пишущих справа налево, принят обратный порядок. Теперь представьте себе, что бывают кристаллы, с самого начала растущие «влево», и кристаллы, растущие «вправо». И действительно, уже систематический просмотр 32 классов симметрии дает несколько случаев, когда формы кристаллов как бы отображают их лево- или правосторонний рост. Известный пример такого рода - левый и правый кварц. Нужно очень внимательно присмотреться, чтобы заметить, что обе эти формы кристаллов кварца зеркально подобны одна другой.

Ну и какое же направление роста кристаллов кварца мы назовем правым (то есть приводящим к правым формам)? Конечно, такое определение будет носить сугубо произвольный характер. Обратимся к математике, где все строго подчинено логике. Там различие между координатными системами с правой и левой ориентировкой основывается на «правиле трех пальцев». Математик поднимает большой палец к небу, вытягивает указательный и сгибает средний палец. Если он использует для этого левую руку и направления координатных осей соответствуют положениям пальцев, то вся система координат является правосторонней, если правую или (что то же самое) зеркальное отражение левой, то система координат будет левосторонней. Мы видим, что и здесь левое и правое зависит от определения, которое в свою очередь непосредственно исходит из строения человеческого тела.

Удивительным образом во многих языках понятия «правое как направление» и «правое как истинное» в их словесном выражении совпадают. В немецком rechts - правое направление, а Recht - право, правда. В английском right-right. Француз говорит le droit - право, правда и a droite - направо, справа. В русском языке название известной центральной газеты «Правда» равнозначно понятию «истина», слово «право» соответствует немецкому Recht, а слова «направо», «справа» - немецкому rechts.

Левый и правый кварц соотносятся как прямое и зеркальное изображения

С другой стороны, положение сердца слева правильное, хотя встречаются люди, у которых сердце расположено справа, то есть неправильно. Физик, философ и насмешник Георг Кристоф Лихтенберг (1742-1799) разобрал проблему правого-левого в составленной им инструкции по тушению пожаров в университетском городе Гёттингене. Инструкция гласила: «Если горит какой-то дом, то необходимо прежде всего защитить правую стену дома, стоящего слева, и левую стену дома, стоящего справа. Если же, к примеру, кто-то пожелал бы защитить левую стену дома, стоящего слева, то его правая стена находится вправо от левой стены, а следовательно, - поскольку место пожара располагается справа от левой и от правой стены (так как мы приняли, что дом находится слева от места пожара) - ближе к огню, чем левая, и правая стена дома, не будучи защищена, могла бы сгореть прежде чем огонь достигнет защищенной левой стены. Чтобы запомнить все это, нужно лишь взять себе на заметку: если дом находится справа от огня, то защищать следует его левую сторону, а если слева - то правую».

Легко себе представить, что гёттингенская пожарная команда, руководствуйся она этой инструкцией, дала бы сгореть половине города, прежде чем ее члены пришли наконец к единому мнению насчет левой стены у правого дома.

Для нас не состьавляет никакого труда определить понятие «внизу». Пока человек находится в поле тяготения небесного тела (чаще всего Земли), вниз - значит и в направлении действия силы тяжести. Это - направление, в котором падает камень. К числу эффектных номеров, которые демонстрировали космонавты телезрителям, относится свободное парение тела в космическом корабле. Однако достаточно чувствительные инструменты позволяют и в космическом пространстве установить некое предпочтительное направление, которое указывает «низ».

Возраст этих кристаллов кварца из месторождения Циновец (Циннвальд) - 270 млн. лет

К сожалению, указать боковое направление не столь просто. Может быть, вы придумаете, как? Можно было бы, например, рассуждать таким образом: «Возьму-ка я проволочку и пропущу через нее электрический ток. А над проволочкой пристрою магнитную стрелку. Под действием тока стрелка отклонится. Ее Северный полюс и покажет «направо». Но тут же возникают встречные вопросы, и прежде всего: где у стрелки северный полюс? На этот вопрос вы сможете ответить, лишь указав на стрелку пальцем. Не имея уже известной и заранее обозначенной системы отсчета, определяющей северный полюс стрелки (который «на самом-то деле» является южным полюсом (Так как он притягивается северным магнитным полюсом. Однако обычно принято считать, что на севере располагается южный магнитный полюс, который и притягивает северный конец стрелки компаса. - Прим. перев)), более вразумительный ответ дать невозможно. Точно так же, не указывая пальцем, нельзя (а вернее, нельзя было) определить правое и левое направления.

Разумеется, можно рекомендовать ровно в полдень встать спиной к солнцу, тогда лицом вы будете обращены на север, слева от вас будет запад, справа - восток. Но такая инструкция предполагает, что мы находимся в северной половине земного шара. Для Австралии то же правило должно звучать иначе, поскольку солнце там в полдень находится на севере. А как будет выглядеть это правило на Луне?

Следовательно, правую сторону нельзя определить, не показав на нее и не сказав при этом, что это именно правая сторона. Несколькими строчками выше мы не случайно уточнили в скобках, что «вернее, нельзя было» определить. Дело в том, что физики, к собственному немалому удивлению, нашли способ, как объяснить, не прибегая к прямому показу, где правое, а где левое.

По одному-единственному кристаллу кварца легко догадаться, что он может встречаться в двух формах. Стоит посмотреть на этот кристалл в зеркале, как его передняя треугольная грань окажется в положении, соответствующем другому направлению вращения. На фотографии изображен левый кварц из Гарца

История этого научного открытия опять-таки связана с Нобелевской премией, и снова (аналогично открытию дифракции рентгеновских лучей на кристаллах профессором Максом фон Лауэ) она берет начало в кафе, но на этот раз нью-йоркском. В 1956 г. там встретились два физика-теоретика, китайцы по национальности, живущие в США, - Ли Цзундао и Ян Чжэньнин (Янг). Они беседовали о симметрии в природе. Смысл их разговора (опять же весьма ученого) сводился к тому, что, хотя каждой частице соответствует античастица и каждому направлению - обратное, но в определенной области физики доказательства этого отсутствуют. Янг и Ли обсуждали некоторые эксперименты, с помощью которых, возможно, удалось бы доказать, что в известных случаях природа оказывает предпочтение какому-то одному направлению. Свои соображения они изложили в работе, которая носила название «К вопросу о сохранении четности при слабых взаимодействиях».

Статью прочитала - и, что особенно важно, оценила все ее значение - профессор By Цзяньсюн, тоже физик, тоже китаянка по национальности, проживающая в США. Будучи экспериментатором, г-жа By взялась на опыте доказать теоретические предположения Ли и Янга.

В магнитном поле кобальт-60 (Соsup60/sup) испускает β-излучение преимущественно в одном направлении

В упрощенном изложении она сделала следующее: охладив радиоактивный кобальт до температуры, близкой к абсолютному нулю (-273,16°С), г-жа By приложила к нему сильное магнитное поле. Под его воздействием Р-излучение кобальта удалось разделить на два разнонаправленных пучка. Все шло нормально, но г-жа By решила подсчитать, сколько частиц излучается в одном направлении и сколько в другом. Как и предсказали (в противоположность всем прежним теориям) Ли и Янг, излучение явно предпочитало одно из этих двух направлений. Изменив направления магнитного поля, г-жа By изменила и статистическое распределение частиц Р-излучения кобальта. Так стало возможным определять левое и правое направления, «не указывая их пальцем». Попробуйте повторить опыт г-жи By. Возьмите магнитную стрелку и держите ее над полем, с помощью которого Р-излучение кобальта-60 собирается в пучки. Конец иглы, показывающий направление пучка более интенсивного излучения, мы будем называть северным. Той стороне, в которую она отклоняется от этого направления, отныне присваивается название правой (можно было бы именовать ее и зеленой или еще какой-нибудь - это совершенно безразлично), а противоположная сторона будет левой. Такой опыт можно провести всегда и везде, а тем самым определение правого и левого направлений, равно как и двух дополнительных направлений - вниз и вверх, становится независимым от места и времени.

Координатные системы в математике тоже бывают право- и левосторонними. Большой, указательный и средний пальцы руки всегда могут быть расположены параллельно осям прямоугольной системы координат. Только в одном случае при этом приходится пользоваться левой рукой, в другом - правой

Уже в 1957 г., то есть всего через год после того, как они сделали свое открытие, Ли и Янг получили Нобелевскую премию по физике. Их работа была столь новаторской, пролагающей новые пути в физике, что награда последовала незамедлительно. В большинстве же случаев ученые удостаиваются этого отличия спустя многие годы после появления их работ. Нобелевский комитет осторожно выжидает, какое действие окажет то или иное открытие на развитие науки. Только в порядке исключения премия присуждается через сравнительно короткое время. Впрочем, вопреки тому огромному значению, которое имеют выводы Янга, Ли и г-жи By для физики, а также, несомненно, и для философии, в повседневной жизни по-прежнему приходится показывать пальцем, где правое, а где левое.

ПОРЯДКИ ВЕЛИЧИН МАССЫ И ВРЕМЕНИ

Порядок увеличения массы

Порядок увеличения времени

ПОПУГАЙ-ПРАВША

Это было бы, несомненно, подходящее название для детектива. Но вполне серьезные ученые действительно исследовали вопрос, являются ли попугаи «правшами». По некотором размышлении мы найдем эту проблему отнюдь не столь уж нелепой. Если животные без дрессировки обнаруживают предпочтение в использовании определенных (например, правых) коненностей, то следует принять, что и преимущественная «право-рукость» человека является в известном смысле врожденной, а не благоприобретенной, как иногда утверждают ущемленные в своем самолюбии левши.

Профессор Бернард Гржимек (род. в 1909 г.) изучил поведение различных животных с намерением выяснить, предпочитают ли они использовать для тех или иных целей определенные конечности. Оказалось, что, например, обезьяны не оказывают предпочтения ни одной из обеих своих рук. Они пускают в ход любую переднюю конечность в зависимости от обстановки, как им покажется сподручнее. Но вот некоторые виды попугаев предпочитают опираться на левую ногу, а в правой держать орех, который они долбят клювом. Конечно, тут можно спорить, являются ли эти попугаи правшами или левшами. Один исследователь будет считать, что, раз они стоят на левой ноге, значит, они левши. Другой - как сам профессор Гржимек - сделает вывод, что, раз они пользуются правой ногой для держания ореха, их надо считать правшами. Но на это можно возразить, что у птиц человеческой руке соответствует крыло. Человек-правша чаще пользуется левой ногой. Если же попугай применяет правую ногу, то это соответствует левше среди людей. И здесь мы вновь сталкиваемся с трудностью описать правое и левое, не прибегая к прямому показу, сопровождаемому словами: «Вот так ведет себя левша (у попугаев)».

В основном наблюдения профессора Гржимека касались лошадей. Он установил, что 80% изученных им животных являются правосторонними жеват елями. Лошади в отличие от нас, людей, не пережевывают пищу, опуская и поднимая нижнюю челюсть, а подвергают корм «перемалыванию», то есть боковыми движениями нижней челюсти перетирают зерна овса или стебли сена. При этом лишь у 20% животных движение зубов направлено влево. Проявляя нетерпение, лошади бьют передними копытами. Но только 23% лошадей били попеременно левой или правой ногой. Остальные 77% отдавали предпочтение одной из ног, к тому же чаще били правым передним копытом. Из стойла большая часть лошадей также выходит с правой передней ноги. Поскольку лошади одновременно передвигают диагонально расположенные ноги, это соответствует задней левой.

Частоты электромагнитных колебаниц и область применения

Человек-правша тоже начинает движение с левой ноги. В воинских частях это, как известно, однозначно регламентировано. Поэтому в наших музыкальных маршах ритм движения подчеркивается ударами литавр, приуроченными каждый раз к шагу левой ноги. В книгах по верховой езде пишется, что лошади легче переходят в галоп с левой дноги, чем с правой. Вообще распространено мнение, что лошадь предпочитает бежать справа налево. Наблюдая за искусством вольтижировки, обратите внимание на то, что лошади бегут против часовой стрелки, то есть справа налево. Дрессировка лошадей в цирке также начинается с их пробежки справа налево вокруг всего манежа. Однако профессор Гржимек у 77% изученных лошадей не обнаружил при галопе никакого предпочтительного отношения к левым или правым, передним или задним конечностям. Лишь 6% животных всегда переходили в галоп с правой ноги, а 17% - с левой.

По-видимому, мнение, будто лошади предпочитают, чтобы их поднимали в галоп с левой ноги, сложилось у наездников на том основании, что, посылая лошадь в галоп, они оказывают ей «помощь» левым шенкелем и правой рукой, иными словами, пользуются теми конечностями, которые предпочитают «правши».

ТЕОРЕМА СРТ

Теорема СРТ утверждает: если произвести зеркальное отражение какого-либо физического процесса в пространстве (изменив знаки координат на обратные), заменить все частицы соответствующими античастицами и обратить процесс во времени, то вновь возникнет физический процесс, протекающий точно так же, как первый.

На состояние физической системы можно наложить определенные предписания (называемые оператором), которые преобразуют его в иное состояние. Если при этом свойства оператора таковы, что в другой системе все процессы протекают так же, как в первой (исходной), то говорят об операторе симметрии или о принципе инвариантности.

Тремя важнейшими операторами симметрии являются:

С - оператор зарядового сопряжения С -заменяет все частицы в системе их античастицами;

Р - оператор паритета (пространственной инверсии) Р - меняет все знаки пространственных координат, то есть производит зеркальное отражение системы;

Т - оператор обращения времени Т- изменяет ход времени на обратный. Для операций С и Р существуют определенные случаи, когда выполнить пространственную инверсию (зеркальное отражение) или изменение знаков невозможно. По отношению к оператору Т это известно не столь точно. Но если все три операции преобразуют систему одновременно ч то новая система так же мало отличается от прежней, как изображение от своего зеркального отражения.

Но если все три операции преобразуют систему одновременно, то новая система так же мало отличается от прежней, как изображение от своего зеркального отражения.

ЗДЕСЬ ГЁТЕ ОШИБАЕТСЯ

Иоганн Вольфганг Гёте в своем известном автобиографическом произведении «Поэзия и правда» признался, что некую молодую даму он любил больше всех других. Казалось бы, подобное утверждение сугубо личного свойства едва ли может встретить возражения. Мне не известно, какой мерой исследователь творчества Гёте профессор Генрих Дюнтцер сумел измерить величину былой любви Гёте, но в своем комментарии он написал: «Тут Гёте заблуждается!» Этим крылатым выражением он снискал свою толику литературной славы. Конечно, Гёте в своей жизни нередко ошибался. Великий человек, обуреваемый множеством идей, вообще чаще делает ошибки, чем тот, кто почти или вовсе не способен размышлять, и уж заведомо гораздо чаще того, кто спустя годы критикует или комментирует результаты его трудов.

В сфере науки особенно легко посмеиваться над мнениями исследователей, живших в прошлом. Они ведь еще не знали того, что мы знаем сегодня. Но зато нам доподлинно известно, что потомки не преминут покачать головой по поводу наших собственных заблуждений и нашего неразумия.

Во времена Гёте многие физики изучали природу света. Тайного советника из Веймара тоже занимала эта проблема, он даже вступил по этому поводу в ожесточенный спор со своими современниками. Мы теперь знаем, что они спорили зря. Ведь предметом занятий Гёте был свет, каким он его видел. Поэт написал в 1805 г.:

Не будь подобен Солнцу глаз,

Не смог бы Солнце он увидеть...

(Эта тема подробно разработана в известной научно-популярно и книге акад. С. И. Вавилова «Глаз и Солнце». (М.: Наука, 1960). - Прим. перев)

Это верно. Но Солнце светит независимо от того, смотрим мы на него или нет. Цель естествоиспытателей как раз и заключается в поисках законов природы, действующих объективно и независимо от нас. Сегодня мы можем найти у Гёте объяснение тому, что ртутная лампа высокого давления в уличном светильнике испускает зеленоватый свет, а отбрасываемая ею тень окрашена в красные тона. Хотя поэт, естественно, еще не знал такой лампы, но зато прекрасно разбирался в цветных тенях. Точно так же Гёте, несомненно, сумел бы объяснить нам, почему на телеэкран набегает черная тень, когда с него исчезает лицо диктора. Однако подобные явления больше говорят о строении наших органов чувств, нежели о природе света. Если бы Гёте довелось узнать, что эта проблема вообще лежит за пределам:и возможностей чувственного представления человека, он безусловно воспринял бы такое сообщение с глубоким неудовольствием.

Мы говорим: свет - это электромагнитные волны. Мы рассуждаем о длинах волн света, их скорости и частоте мсолебанкй. Но тут неминуемо встает вопрос: а что же колеблется?

Когда речь идет о водяных волнах, нам видно, что мсолеблется (хотя наше зрительное восприятие волнообразного движения и является ложным). В случае звука колеблется воздух. Но в случае электромагнитных волн колеблется «поле». Вплоть до 1900 г. физики снова и снова пытались доказать существование колеблющейся среды в форме невидимого газа - эфира, в котором якобы и распространяется свет. Но все опыты оказывались неудачными или приводили к обратному выводу, доказывая, что эфира не существует. Ныне мы утешаемся сравнением: если температура в комнате регулярно опускается и вновь поднимается, то мы можем рассматривать этот процесс как колебание.

'Так Малюс доказал поляризацию света. Если правое зеркало отражает лишь колебания определенных направлений, а остальные гасит, то левое зеркало в соответствующем положении вообще не должно ничего больше отражать

Частоты (то есть число колебаний в секунду) электромагнит ных волн охватывают, как нам сегодня известно, диапазон от 1 Гц до более 1 секстиллиона Гц. Их шкала имеет столь огромную протяженность, что может быть изображена только в логарифмической форме; каждому отрезку логарифмической шкалы соответствуют десятикратные значения по отношению к значениям предыдущего отрезка.

Дециметровые волны, возбуждаемые в радарных установках с целью локации самолетов, судов или дождевых облаков, колеблются с частотой около 3 млрд. Гц. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме составляет 300 000 км/с, т. е 300 млн. м/с, или 3 млрд. дм/с. Чтобы достичь такой частоты все население Земли (примерно 4 млрд.) должно было бы пробежать мимо нас за одну секунду, то есть за время, необходимое для произнесения слов «двадцать один». Если повысить частоту в 100 тыс. раз, то будет достигнута граница области колебаний, технически осуществимых в настоящее время. Умножив это значение еще на 100 млн., мы окажемся в интервале частот радиоактивного гамма-излучения. Его частота - порядка трех секстиллионов герц, это число с 21 нулем (3 • 10^21). Хотя это непостижимая для нас величина, значения такого порядка нам все же отчасти знакомы. Вспомните: кубический кристалл с ребром в 1 см содержит примерно 3 • 10^24 атомов.

Световой луч падает на брусок из стекла. В нем присутствуют колебания любых направлений. Однако отражается лишь часть света, имеющая вполне определенное направление колебаний. Отраженный луч поляризуется

Свидетельством могущества человеческого разума служит тот факт, что почти весь этот диапазон частот находит техническое применение. Однако мы здесь ограничимся в основном областью видимого света с частотой колебаний в несколько квадриллионов герц. Говоря об угловых зеркалах, мы подразумеваем, что законы оптики действительны и для радара (до 100 млрд. Гц). Затем был описан опыт Макса фон Лауэ, который определил строение решетки каменной соли с помощью рентгеновских лучей (1000 квадриллионов Гц).

Современники Гёте, разумеется, ничего не ведали ни об электромагнитных полях, ни о частотах колебаний световых волн. Однако они знали важнейшие законы геометрической оптики (отражение, преломление), и им было известно, что свет можно описать как волну.

Двупреломляющие кристаллы поляризуют свет

В 1807 г. французский физик и инженер Этьен Луи Малюс произвел свой известный опыт с двумя отражающими стеклянными пластинками. В опыте Малюса световой луч падает на зеркало под углом 56°. При этом луч, естественно, отражается в соответствии с законом: угол падения равен углу отражения. Отраженный луч Малюс направил на другое зеркало и тоже под углом 56°. Пока второе зеркало было ориентировано параллельно первому, луч отражался от него вполне нормально. Но как только Малюс повернул второе зеркало относительно первого на 90°, второе зеркало перестало отражать. Оно осталось темным. Как же объяснить это внезапное «исчезновение света»? Мы будем исходить из того, что первоначально, до падения на первое зеркало, световые колебания были направлены во все стороны, причем вспомним, что колебания испытывает не материя, а поле. Однако не станем ломать себе голову над тем, как происходят световые колебания; предоставим это специалистам.

Тут мы знакомимся с новым и поразительным свойством зеркала. Оно сортирует разнонаправленные световые колебания и отражает только ту часть падающего света, которая колеблется в направлении, определенным образом ориентированном по отношению к поверхности зеркала. Колебания всех других направлений обратно не посылаются. Это явление называется поляризацией. Зеркало поляризует свет. Следовательно, первое зеркало отбрасывает на второе поляризованный свет. Если второе зеркало установлено так, что его поверхность «правильно» ориентирована по отношению к направлению поляризации, то оно без всяких осложнений отражает световой луч. Но если его поверхность установлена «неправильно», то зеркало лишается способности отражать. Впрочем, свет поляризуется зеркалом не полностью. Он еще сохраняет остатки колебаний, ориентированных под небольшими углами к основному направлению. Поэтому второе зеркало при малых отклонениях от параллельного положения еще не темнеет. Свет в зеркале слабеет лишь по мере вращения зеркала, пока наконец не погаснет окончательно при повороте его на 90°.

Некоторые силикаты (минералы кремния) построены из цепочек [8Ю2]-тетраэдров, у которых возможно зеркальное отражение. Вот почему кристаллы кварца появляются в виде правой и левой форм

Англичанин У. Николь (1768-1851) в 1829 г. (то есть еще при жизни Гёте) открыл другую возможность получать поляризованный свет. Он пропустил световой луч через кристалл известкового шпата (Оптический кальцит, или известковый шпат, - достаточно крупные водя-нопрозрачные кристаллы углекислого кальция - в минералогии принято называть исландским шпатом. - Прим. перев). К его немалому удивлению, кристалл расщепил этот луч на два разнонаправленных световых луча. Николь установил, что луч, пересекающий кристалл по прямолинейной траектории, является поляризованным. Доказал он это точно так же, как Малюс в опыте с зеркалами. Позади первого кристалла он поместил другой такой же. Если второй кристалл был расположен «правильно», то он пропускал поляризованный свет. Если же (после поворота) он оказывался в «неправильном» положении, то свет в нем гас.

Между тем техники научились использовать поляризацию света для самых различных целей. Теперь изготавливаются большие поляризационные фильтры. Они состоят из бесчисленного множества параллельно ориентированных игольчатых кристаллов сильно поляризующих веществ, нанесенных на тонкие пленки. Такие фильтры применяются, например, в фотографии для защиты от мешающих отражений (бликов) (Изучение оптических свойств минералов также ведется главным образом в поляризованном свете, при помощи поляризационного микроскопа (снабженного поляризатором и анализатором). - Прим. перев).

Как превратить шестиугольник в квадрат. В головоломках на разрезание и складывание фигур необходимо прежде всего найти такой способ разделения, который годится для обеих фигур

Тем временем выяснилось, что стекла и прозрачные пластмассы в напряженном состоянии оптически активны, то есть поляризуют свет подобно кристаллам кальцита и многих других веществ. Однако степень поляризации в этих случаях зависит от величины внутреннего напряжения. Этот эффект используется конструкторами, чтобы составить картину распределения и величины внутренних напряжений. Изготовляют модель из органического стекла, ее нагружают и рассматривают через поляризационный фильтр. Ввиду того что дневной свет, преломляясь, разлагается на составляющие его цвета, линии на эпюре напряжений тоже кажутся цветными. Они дают пластическое изображение внутреннего состояния напряженного материала.

Поляризующие стекла, применяемые в солнцезащитных очках, состоят из двух скрещенных поляризационных фильтров. В зависимости от степени их углового перекрытия регулируется яркость света, пропускаемого к глазам. Преимущество таких очков состоит в том, что они равномерно отфильтровывают все волны любой длины, тогда как прочие виды окрашенных стекол в солнцезащитных очках задерживают лишь волны определенного диапазона.

Строение молекулы винной кислоты допускает три варианта: L-винная кислота (а), D-винная кислота (б) и мезовинная кислота (в)

Кристаллографы, естественно, тоже пропускали поляризованный свет через всевозможные кристаллы. При этом кристаллы некоторых веществ, например кварца, обнаружили неожиданный эффект. Оказалось, что одни кристаллы кварца вращают пло-кость поляризации влево, а другие - вправо. Это вновь возвпя щает нас к левому и правому кварцу. По-видимому, здесь стой коротко описать, каким образом измеряется вращение плоскост поляризации. Прежде всего, пропустив свет сквозь кристалл получают поляризованный световой луч. (Некоторые физики воз ражают против использования здесь слова «луч», однако нам кажется, что в предлагаемой книге всюду, где это только возможно, следует пользоваться общепонятным лексиконом) Направление колебаний этого луча легко определить с помощью другого подходящего кристалла. Обычно этот второй кристалл (анализатор) поворачивают таким образом, чтобы он совсем не пропускал света. Введя теперь между поляризующими кристаллами или фильтрами исследуемый кристалл, мы обнаружим, что кристалл-анализатор вдруг снова стал пропускать свет. Дело в том, что исследуемый кристалл повернул плоскость поляризации света, прошедшего через первый поляризующий кристалл. Чтобы вновь достичь темноты, второй кристалл поворачивают на некоторый угол вправо или влево в зависимости от того, является ли изучаемый кристалл лево- или правовращающим.

Для выполнения подобных опытов выпускается специальная аппаратура, позволяющая весьма точно измерять угол вращения. Интересно, что многие оптически активные (вызывающие вращение плоскости поляризации света) вещества растворяются в жидкостях, не теряя этого свойства, что позволяет химикам использовать поляризационные приборы для проведения так называемого полярографического анализа. Справедливо следующее правило: чем больше вещества находится в растворе, тем сильнее вращение. На этом правиле основаны поляриметрические методы быстрого определения концентраций.

АСИММЕТРИЯ ВНУТРИ СИММЕТРИИ

Собственно говоря, симметрия и асимметрия должны бы взаимно исключать одна другую - как черное и белое или как день и ночь. Так оно и происходит на самом деле, пока симметрия или ее антипод рассматриваются по отношению к одному и тому же телу.

Тот факт, что растворы оптически активных веществ вращают плоскость поляризации в точности так же, как кристаллы, однозначно доказывает, что само кристаллическое состояние не может служить причиной этого явления. Ведь в растворе кристаллов лет. Но как в оптически активном кристалле, так и в растворах, обладающих этим свойством, присутствуют молекулы. Кристаллы, построенные - подобно металлам - из одних только атомов, оптически неактивны (кроме того, они непрозрачны!) Высокоупорядоченный кристалл, состоящий из ионов Na+ Cl-,тoжe не действует на проходящий свет. Однако кварц имеет более сложное строение, чем хлорид натрия. Если вы еще не забыли школьного курса химии, то должны помнить, что кварц - это диоксид кремния, химическая формула которого SiO_2. Кремний, как и углерод, находится в четвертой группе периодической системы. А углерод (помните?) постоянно изображают со связями:

Строение гена. Спирали связаны между собой через определенные 'строительные детали'

Кремний, принадлежащий к той же группе, что и углерод, также четырехвалентен. Химия кремния, подобно химии углерода, весьма сложна. Кристаллическая структура кварца представляет собой трехмерный каркас из длинных цепей, построенных в форме винтовых лестниц. Разумеется, винтовые лестницы полностью асимметричны. Однако они бывают лево- и правосторонними, как изображение и его зеркальное отражение. Связанные между собой асимметричные цепи образуют либо левый, либо правый кристалл. Соответственно они оказывают оптическое влияние на свет.

У водорастворимых кристаллов органических соединений зеркальная симметрия молекул прослеживается как в твердом, так и в растворенном состоянии. Известный пример - винная кислота. Она встречается в виде левых и правых кристаллов. Соответственно ведет себя и ее раствор. Под праЬым направлением здесь всегда понимается направление по часовой стрелке. Таким образом, левая винная кислота вращает плоскость поляризации против часовой стрелки. Нидерландский физикохимик Якоб Хендрик Вант-Гофф (1852-1911) объяснил такое поведение винной кислоты, исходя из строения ее молекулы. При одном и том же химическом составе можно написать три разные структурные формулы винной кислоты. Каждый из двух центральных атомов углерода в любом случае связан с группой СООН. В органической химии эта группа - отличительный признак кислоты. Проглотив таблетку аспирина или попробовав на язык уксус, вы ошущаете кисловатый вкус, он обусловлен именно присутствием группы СООН. Для нас, однако, важнее правая и левая связи атомов углерода. Они связывают либо атом водорода, либо группу ОН. Именно здесь кроется возможность возникновения двух зеркально-симметричных вариантов их взаимного расположения и, помимо того, третьего варианта, который симметричен сам по себе.

Красивый пример разложения узора. Мотив из восьмиугольников разлагается на квадраты

В книгах по химии вы часто можете встретить обозначения L- и D-винная кислота, производные от латинских слов laevus - левый и dexter - правый. Теперь нам уже нетрудно сообразить, что вещество, носящее название «декстро-энерген», должно быть оптически активным и притом правовращающим. В молекуле виноградного сахара (торговое наименование которого и есть «декстро-энерген») присутствует цепочка из атомов углерода, «подвески» которой могут быть синтезированы право- или левосторонними.

Вант-Гофф, впрочем, не пользовался такой простой плоскостной моделью, как мы. Он сразу рисовал ее в объемном изображении, что больше отвечает действительности. Каждый из четырех углеродных атомов винной кислоты расположен в вершине тетраэдра. К этим угловым атомам углерода и привязаны прочие атомы, кислородные и водородные.

Аммонит, окаменелость, возраст которой 180 млн. лет, - пример логарифмической спирали

Вследствие этого из одного совершенного Платонова тела (каким является тетраэдр) возникают дае различные, зеркально-симметричные формы. Однако здесь, как и в любой области естествознания, мы не должны воспринимать такие описания буквально. Речь идет всего лишь о картинках и моделях, назначение которых - помочь нам разобраться в тех или иных явлениях. Чтобы легче представить, как из асимметричных молекул вдруг возникает симметричный кристалл, рассмотрим несколько примеров на плоскости.

Под рубриками вроде «В часы досуга» порой встречаются задачи, где предлагается разложить одну плоскую фигуру, скажем шестиугольник, и образовать из нее другую плоскую фигуру, например квадрат. В данном случае две высокосимметричные плоские фигуры составляются из одинаковых асимметричных элементов. В свое время ведущим умельцем в такого рода разложениях и сложениях слыл австралиец Гарри Линдгрен (Линдгрен Г. Занимательные задачи на разрезание. -М.: Мир, 1977). Чтобы еще больше затруднить решение подобных задач, ставится дополнительное условие: обойтись возможно меньшим числом составных элементов. Линдгрен и другие любители, увлекавшиеся разложением фигур, отваживались разлагать даже узоры кафеля. В качестве иллюстрации позаимствуем разложение узора из восьмиугольников с маленькими квадратами в мотив из квадратов той же площади, что и восьмиугольники, причем малые квадраты в новом узоре сохраняются, но в несколько смещенном положении.

Раковина обычной улитки, которую можно найти у обочины дороги,-чудо формотворчества

Когда Вант-Гофф опубликовал свою теорию о правых и левыx молекулах она была встречена в штыки. Многие из его единственно удовлетворительное объяснение вращению поляризованного света, поэтому она все же получила признание. Тем временем химики разработали методы прямого определения формы молекул. И мы теперь знаем, что Вант-Гофф был прав.

АСИММЕТРИЯ ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ

Природа всегда отбирает среди множества вариантов те, которые проще и надежнее всего обеспечивают жизнь и ее продолжение. Естественно, ее действия отличны от действии человека отыскивающего нужное слово в словаре или Рвение задачи в учебнике. Она просто вслепую воспроизводит все решения, как верные, так и ложные, полагаясь на то, что наилучшее из к пробьет себе дорогу, выживет в процессе эволюции, на протяжении сотен тысяч или миллионов лет. Подобно тому как это происходит и в технике (здесь уж, конечно, не без помоп человека), в живой природе побеждает то, что наиболее просто и надежно.

Одна из важнейших предпосылок жизни - наследственность Потомками лошадей снова и снова должны быть лошади И своих основных чертах они должны походить на родителей Австрийский естествоиспытатель Грегор И. Мендель (1822-1884) в 1860 г. на основании своих знаменитых опытов по гиб пи дизации сортов гороха (!) пришел к выводу, что дети половину наследственных факторов получают от одного из родителей я половину - от другого. Благодаря успехам современной микро биологии мы довольно отчетливо представляем себе, как это осуществляется с помощью носителей наследственности - генов

Полевой вьюнок обвивает ветку справа налево

Мы опять, как видите, вернулись к модели генной спирали построенной Уотсоном и Криком. При оплодотворении женского яйца наследственность может передаваться только в материальной форме. При этом однозначно должно указываться какие именно признаки наследуются. Здесь сразу же намечаются два возможных пути осуществления этой задачи.

Первый путь - это образование определенных химических соединений, каждое из которых соответствует наследуемому свойству. Однако он содержит много недостатков. И прежде всего он сопряжен с использованием огромного количества различных соединений для передачи всего набора наследуемых свойств. Вполне вероятно, что для передачи свойства «длинные ноги» лошади потребуется совсем иное химическое соединение, чем для передачи того же свойства блохе или слону. Кроме того, некоторые соединения неоднозначны: достаточно вспомнить о левой и правой винной кислоте. Более простым является другой путь кодирования информации, основанный на том же принципе, что и работа телеграфного аппарата системы Морзе или телетайпа. Телеграф «знает» и использует только три «структурных элемента»: тире, точку и пробел. Но информация, записанная с помощью азбуки Морзе, может содержать ошибки (а при передаче наследственности это недопустимо). Так, увидев на телеграфной ленте бессмысленное слово «зергало», телеграфист, надо думать, поймет из контекста, что имеется в виду зеркало. В случае особых сомнений он может запросить передающую станцию. Однако во избежание подобных недоразумений, чтобы исключить искажения, лучше подстраховаться. Наиболее простой способ - при передаче каждая буква дублируется: «ззееррккааллоо». Вероятность дважды заменить букву гораздо меньше, чем совершить ошибку один раз. К тому же при таком способе кодирования всегда известно, где начало, а где конец сообщения. Если мы прочитали на ней «топор», то однозначно заключаем, что это никак на «ропот». В силу всех этих преимуществ в природе в ходе естественного отбора для передачи наследственной информации победил принцип «азбуки Морзе». Лента, несущая эту информацию, состоит из молекул сахара и фосфата, построенных в два ряда. В каждом ряду они чередуются через одну: сахар - фосфат - сахар - фосфат. В пределах обоих рядов напротив каждой молекулы сахара располагается тоже молекула сахара, а против каждой молекулы фосфата - молекула фосфата. Промежутки между парами сахар - сахар (но не фосфат - фосфат) заполнены еще четырьмя видами химических соединений, которые получили следующие названия: аденин (А), цитозин (Z), гуанин (G) и тимин (Т). Запомним лишь обозначающих их буквы A, Z, G и Т. А всегда связано с Т, a Z - с G. Одна их групп всякий раз связывает пары сахар - сахар обоих рядов. В наглядном изображении получается полоса, напо-лестницу, поручни которой состоят из сахара и фосфата (ступеньки) - из групп А - Т или Z - G. Для ступенек возможны комбинации Т - А и А - Т наряду с Z - G и G - Z. Кроме того, последовательность перекладин может быть произвольной: скажем, комбинации Z - G могут следовать подряд несколько раз. Но пока такая лестница, подобно лестнице, которой пользуется электрик, остается прямой, она все еще сохраняет возможность оказаться симметричной. Последствия этого могли бы стать катастрофическими для любого живого существа. Но к счастью, концы «лестницы» спирально закручены. Такая абсолютная асимметрия исключает всякую генетическую ошибку.

Чешуйки обегают сосновую шишку по спирали

Построив свою модель, Уотсон и Крик получили первое показательство ее правильности. Размеры отдельных молекул бьши им известны. Действительности могла соответствовать лишь такая модель, к которой свободно подходили бы все структурные элементы. И только двойная спираль удовлетворяла этому требованию. Читатели, ближе знакомые с этим предметом знают что речь все время идет о дезоксирибонуклеиновой кислоте. Ввиду громоздкости этого слова чаще принято обозначать ее сокращенно - ДНК. Молекула ДНК, помимо способности к безошибочному обозначению наследуемых свойств, имеет и одно преимущество: она одинаково пригодна как для блох, так и для слонов и, конечно, для людей тоже. Комбинацией из четырех букв A, Z, Т, G все свойства обозначаются точно так же, как это делается посредствбм трех знаков при использовании азбуки Морзе. Конечно, «телеграфная лента» в этом случае должна быть достаточно длинной, чтобы на ней могли уместиться все команды будущему живому организму. Мы знаем из биологии, что у человека носителями наследственности служат 46 похожих на палочки хромосом. Если растянуть их двойные спирали, то получится лента длиной около метра. А так как атомы и молекулы очень малы (на одном сантиметре их помещается 100 млн ) то на протяжении одного метра оказывается возможным записать всю необходимую информацию. Хотя спирали и асимметричны, можно представить себе их зеркальные отражения. Так существует ли вероятность того, что в некой семье шявятся двое детей, из которых один ребенок окажется зеркальным отражением другого (будет «закручен в другую сторону»), ибо его генные спирали, пусть одинаковые со спиралями генов второго ребенка, зеркально симметричны по отношению к ним? Нет! Все витки ДНК всегда направлены в одну сторону - вправо как у обычного штопора. Поэтому в природе не существует зеркальных отражений с генными спиралями, закрученными в обратаую сторону. Благодаря абсолютной асимметрии и недопущению зеркального отражения вся заключенная в генах информация не может быть перепутана.

Вирусы - белковые соединения, стоящие на пороге живого, - тоже имеют правое направление вращения. Некоторые исключения обнаружены лишь у антибиотиков. Они «закручены» влево; на этом, очевидно, и основано их действие.

Краевой угол между каплей и подложкой служит мерой смачиваемости. Расплывшаяся капля на снимке сверху смачивает подложку, а капля снизу - нет

Вероятно, таков вообще признак жизни - ее стремление образовывав из симметричных молекул асимметричные и затем делать выбор в пользу одного из возможных видов асимметрии. Эта мысль по-видамому ведет свое начало от французского химика биолога и медика Луи Пастера (1822-1895). Уже из одного перечня его профессий видно, что он был человеком поистине универсальных знаний. Человечество обязано ему предохпа нительными прививками против бешенства и других заболеваний Ему принадлежит открытие, что кипячение убивает микробов К Пастеру восходят дезинфекция и методы стерилизации. Oн первым привел также весьма важное для философии и естествознания доказательство того, что живое возникает только из живого.

В молодости Пастер занимался винной кислотой - той самой, о которой мы уже рассказывали. Ему было известно, что наряду с винной кислотой существует химически тождественная ей виноградная кислота. Но обе эти кислоты различаются по их оптическим свойствам. Раствор винной кислоты оптически активен, он вращает поляризованный свет. Раствор виноградной кислоты, напротив, совсем не отклоняет света. Рассматривая кристаллы обеих кислот под микроскопом, Пастер обнаружил, что у винной кислоты они являются либо правыми, либо левыми, а у оптически нейтральной виноградной кислоты половина кристаллов - левые и половина - правые. Тогда он проделал весьма трудоемкую работу по сортировке кристаллов виноградной кислоты и перевел в раствор отдельно правые и левые кристаллы. Оба раствора, как и ожидалось, оказались оптически активными. Часть виноградной кислоты вращала световой луч влево, а часть - вправо.

У клестов-еловиков клювы с перекрещенными концами бывают 'в левом и правом исполнении'. Такая форма клюва очень удобна для расклевывания еловых шишек

Эти явления лишь 50 лет спустя объяснил Вант-Гофф. Однако и Пастер был уже весьма близок к их объяснению. Он продолжил свои эксперименты, помещая микробов в растворы виноградной кислоты. Выяснилось, что микробы способны различать левые и правые молекулы. Они избирательно поедали лишь один их вид. Измерить это оказалось очень просто: в ходе опыта по воздействию микробов на растворы нейтральная виноградная кислота становилась оптически активной. Пастер пришел к заключению, что живые существа, предпочитающие асимметричные молекулы, тоже должны быть асимметричными. Теперь мы знаем, что он был прав. Не только в спирали ДНК, но и всюду, где присутствуют белковые молекулы (а микробы - это высокомолекулярные органические белки), мы встречаемся со спиральным строением.

СПИРАЛИ В ЛЮБВИ

Возможно, это как-то связано со спиральной формой белковой молекулы, но только некоторым низшим животным присущи и внешние признаки спиралей с левым или правым направлением витков. Особенно бросаются в глаза спирали у раковин улиток. С доисторических времен до нас дошли окаменелости, сохранившие спиральные формы раковин. У большинства видов современных улиток раковины закручены вправо. Встречаются, однако, и раковины, завитые влево. Бывают, кроме того, виды улиток, которые строят свои домики, завивая их налево или направо в зависимости от условий окружающей среды.

Интересно, как создаются эти спирали? Ведь не только раковины улиток построены таким образом. Тот, кто предпочитает не дотрагиваться до улиток, испытывая к ним отвращение, пусть возьмет в руки хотя бы самую обыкновенную сосновую шишку. На первый взгляд она может показаться симметричной. Но внимательный глаз заметит, что чешуйки смещены относительно друг друга по спирали. Поскольку, обратившись к сосновой шишке, мы оказались в мире растений, посмотрим, как обстоит дело со спиралями в царстве флоры. Большинство вьющихся растений взбираются вверх, спирально обвиваясь вокруг опор. Одни

Из постоянных краевых углов возникает спираль. В математике это соответствует построению логарифмической спирали

виды предпочитают правостороннюю завивку, другие - левостороннюю. Поэты нередко обращаются к вьющимся растениям, чтобы образно воспеть свои чувства. Так, Шекспир вкладывает в уста околдованной и влюбленной королевы эльфов Титании («Сон в летнюю ночь») следующие стихи:

Так жимолость душистыми цветами

И усиками нежно обовьет;

Так ласково по-женски оплетает

Плющ ветви-пальцы кряжистого ильма,

Как я люблю тебя.

(Использован немецкий перевод Шекспира, так как последующий комментарий автора книги относится именно к нему. - Прим. перев)

Если не все знают выэщуюся жимолость, то уж плющ известен всем. Можно было бы предложить вам задание - при случае проверить, как растет плющ, то есть в какую сторону он завивается: вправо или влево. И вот тут окажется, что либо автор, либо его переводчики явно не в ладах с ботаникой. Плющ не вьющееся растение, как жимолость или вьюнок с их цветочными усиками, а лазающее. Он удерживается с помощью коротких корней-присосок и потому способен высоко подниматься не только по деревьям, но и по стенам.

Предложенные объяснения того, как в живой природе возникают спирали, довольно спорны. Откуда улитка «узнаёт», в какую сторону должен расти ее дом, и как удается сосновой шишке образовывать спиральный узор? В чисто геометрическом отношении построить восходящую спираль просто. На цилиндрическую поверхность наружной оболочки можно нанести узор, который будет восприниматься глазом и как горизонтальный, и как спиральный. Похоже, что улитка не осматривает свой домик снаружи, дабы заметить направление дальнейшего роста.

Герб Канады содержит кленовый лист. На плакате к Олимпиаде 1976 г., проходившей в Монреале, художник трансформировал его в стилизованное изображение сердца. Обратите внимание на последовательные стадии этого преобразования и на переход от белого изображения к черному

Здесь нам следует еще раз вспомнить об образовании из мельчайших капелек кристаллических зародышей. Чтобы «выжить» и вновь не улетучиться, капельки увеличивают свой радиус, распространяясь по уже имеющимся поверхностям. В предыдущих разделах мы проследили процесс до этого момента.

Если понаблюдать за каплей, растекшейся на твердой подложке, то обнаружатся два принципиально различных случая. Угол, который капля образует с подложкой, бывает либо больше, либо меньше 90°. Исследования показали, что жидкости, не смачивающие подложку, образуют краевой угол более 90°. Так, вода не смачивает жир (этот эффект используется в косметических средствах для защиты кожи). Если же, напротив, вещество смачивается жидкостью, то капля расплывается и краевой угол у нее меньше 90°. Таким образом, величина краевого угла зависит от жидкости и от смачиваемого вещества. Для одних и тех же жидкостей и твердых материалов этот угол имеет постоянное значение. Средства для мытья посуды должны обладать возможно большим смачиванием, то есть минимальным краевым углом, чтобы избежать образования капель на стаканах и тарелках.

Черно-белый узор - излюбленный объект для демонстрации оптических обманов: если вы правильно сфокусируете глаз, то на верхнем рисунке увидите малый прямоугольный параллелепипед на большом. Точно так же последовательность ступеней лестницы на нижнем рисунке зависит от того, как на нее посмотреть

Немецкий биолог Л. Румблер выдвинул в 1910 г. теорию постоянного краевого угла при построении раковин улиток. Он исходил из того, что материал, из которого строятся раковины, вначале должен быть жидким, и в жидком же состоянии он попадает на край уже существующей части раковины, где, естественно, всегда образуется постоянный краевой угол. Под этим углом строительная жидкость затвердевает, и снова начинается та же игра. Действительно, раковина улитки может быть построена подобным методом.

Кстати, один английский юморист написал песенку, в которой жимолость тесно сплетается с вьюнком. Посудите сами, что значит это «тесно», если жимолость всегда завивается вправо а вьюнок влево!

В организме человека также имеется спираль, или, точнее, ее остаток. Это пупок у нас на животе. Пуповина, через которую осуществляется питание эмбриона в чреве матери, представляет собой левостороннюю спираль. Она выглядит в точности так, как крученый судовой канат левосторонней свивки, ибо «скручена» по букве S.

В мире природы существует множество вьющихся растений лишенных каких бы то ни было признаков плоскости симметрии! Однако в большинстве своем деревья, кустарники и травы обнаруживают очевидную склонность к проявлению вертикальной плоскости симметрии. Бывают, разумеется, более или менее значительные отклонения от нее, но чаще всего они вызваны внешними влияниями - преобладающим направлением ветра, помехами свободному росту со стороны соседних растений и т. п. Такое предпочтение отвесной плоскости симметрии, несомненно, связано с действием силы тяжести. Мхи и лишайники, распространяющиеся в горизонтальном направлении, лишены всякой симметрии. Напротив, человек, сухопутные животные и птицы тоже пересекаются вертикальной плоскостью симметрии. Однако мы знаем и совершенно асимметричных животных. Наиболее известные примеры такого рода - крабы-сигнальщики и птица клёст. У крабов-сигнальщиков правая или левая клешня может быть несоразмерно большой. Среди клестов-еловиков в зависимости от места обитания встречаются особи, у которых клюв устроен как право- или левосторонние ножницы.

В мире рыб интересен случай камбалы, которая водится в Балтийском море и известна под названием «плоскуша»,или камбала речная. Молодые камбалы-плоскуши симметричны. С годами один глаз у них начинает перемещаться вокруг головы. У рыб старшего возраста оба глаза расположены на одной стороне. Встречаются также «левые» и «правые» плоскуши. Плоскуша зарывается своей нижней стороной в морское дно и для маскировки забрасывает верхнюю сторону тела песком и илом. Лишь глаза ее независимо друг от друга смотрят во все стороны.

В государственных гербах нередко можно видеть изображения растений. Любителям хоккея хорошо знаком канадский кленовый лист. Со времени Монреальской олимпиады 1976 г. его знают все приверженцы спорта. У стилизованного листа, конечно, имеется плоскость симметрии. Невозможно представить подобный символ на флаге страны асимметричным.

Иначе обстоит дело с серпом и молотом на флаге СССР. Этот герб асимметричен, однако его графическое решение весьма гармонично, так как сама эмблема проста и выразительна. Разумеется, молот и серп можно было бы представить и в зеркальном изображении. Герб ГДР относительно симметричен, если не считать молота и циркуля. В этом случае имеются правое и левое решения.

Для рекламы Олимпийских игр канадцы придумали прелестный рекламный трюк. Они построили «кафельный узор» из кленовых листьев, который, используя оптический обман, превратили путем постепенного перехода в узор из сердец.

Подобные оптические «трюки» знакомы нам и по другим черно-белым узорам, которые воспринимаются по-разному в зависимости от фокусировки глаз.

НЕ ВСЕ ТАК УЖ СОВЕРШЕННО

В 1511 г. Альбрехт Дюрер написал картину «Поклонение Святой Троице», в которой открыто выразил свое мировосприятие. Придавая картине очень важное значение, художник изобразил на ней (в правом нижнем углу) себя самого. Выше он показал представителей всех профессий и сословий своего времени. Особо выделены император и папа как тогдашние верховные владыки. Над людской суетой Земли - в соответствии со взглядами XVI столетия - на

Глубокий смысл, вложенный Дюрером в картину, без специального разъяснения нам уже непонятен. Да это и не наша тема. Нас пленяет в первую очередь высокое мастерство художника, с которым он сумел разрешить трудную проблему - так использовать пространство картины, чтобы изобразить на ней множество людей, избежав при этом хаотической неразберихи. Поучительно, сверх того, исследовать геометрию картины. Мы знаем, что Дюрер, подобно многим его современникам, испытывал некое мистическое благоговение перед математикой. Вспомните кристалл, циркуль и магические квадраты на его гравюре «Меланхолия». Подобно тому как Платон полагал, будто в своих пяти телах он нашел «тайну» природы, художники Возрождения искали взаимосвязь между красотой и геометрией.

Рассматривая «Троицу» под таким углом зрения, мы обнаружим, что Дюрер привнес в композицию картины всякого рода математические элементы. Конечно, прежде всего бросается в глаза симметрия обеих ее половин. Оговоримся сразу же, что это относится только к построению картины, то есть к членению холста на поля, но отнюдь не к художественному исполнению. Так, на картине строго разделены светская толпа и духовенство, а среди святых - даже мужчины и женщины. Если приглядеться к земле, изображенной в самом низу, то видно, что ее поверхность поднимается в обе стороны от центра по эллиптической кривой. Ее строго повторяет линия, образуемая головами человеческих фигур. Только император, папа и голова женщины в левой части картины возвышаются над этой линией, которая подходит к боковым краям картины посредине полотна. Сверху Дюрер замкнул картину, поставив ножку циркуля в облако у основания креста и прочертив дугу.

На картине Дюрера 'Поклонение Святой Троице' фигуры святых вписаны не в круг, а в эллипс. Для своего времени это было проявлением немалой смелости как в восприятии религиозного сюжета, так и в его изображении

Важнейший результат нашего исследования сводится к тому, что у Дюрера все «божественное неземное» отделено от «нечестивого земного» эллиптической кривой. Если бы Платон или кто-то из его последователей могли вообразить себе «неземной мир», то для них было бы немыслимо представить его себе иначе, как не в «совершенном» теле, вероятнее всего в сфере. Насколько революционным было решение Дюрера, поместившего небеса в эллипс, показывает следующая цитата, заимствованная из труда другого великого революционера, совершившего переворот в науке, Николая Коперника (1473-1543). Его книга начинается словами:

На картине Дюрера 'Поклонение Святой Троице' фигуры святых вписаны не в круг, а в эллипс. Для своего времени это было проявлением немалой смелости как в восприятии религиозного сюжета, так и в его изображении

«Прежде всего мы должны заметить, что мир является шарообразным или потому, что эта форма совершеннейшая из всех и не нуждается ни в каких скрепах и вся представляет цельность, или потому, что эта форма среди других обладает наибольшей вместимостью, что более всего приличествует тому, что должно охватить и сохранить все, или же потому, что такую форму, как мы замечаем, имеют и самостоятельные части мира, именно Солнце, Луна и звезды; или потому, что такой формой стремятся ограничить себя все предметы, как можно видеть у водяных капель и других жидких тел, когда они хотят быть ограничены своей свободной поверхностью. Поэтому никто не усомнится, что такая форма придана и божественным телам» (Коперник Н. О вращениях небесных сфер. -М.: Наука, 1964, с. 18).

Так представлял себе строение Вселенной Коперник

Учение Коперника о движении Земли было революционным не из-за своего научного содержания: ведь нечто подобное допускали уже античные математики за два тысячелетия до него. Революционными явились прежде всего мировоззренческие выводы, вступившие в противоречие с Библией, где сказано, что бог остановил Солнце и Луну. А это было бы возможно лишь в том случае, если бы Солнце и Луна обращались вокруг Земли. Однако в Библии не написано, что бог остановил Землю в ее вращении, а следовательно, новое учение с точки зрения церкви не могло быть истинным.

Отражение на 'закругленных углах' происходит таким образом,фбудто закругление построено из касательных, которые отбрасывают луч (если хотите, хоккейную шайбу) назад в соответствии с законами отражения

Напротив, математикам представления Коперника сразу же показались убедительными. Не было, правда, никаких доказательств в их пользу (уж это-то противники знали точно!). Тем не менее они столь просто объясняли вид неба, что по крайней мере в качестве рабочей теории их тотчас восприняли как очевидные без всяких доказательств. Лишь с открытием подзорной трубы (около 1600 г.) измерения, как это часто бывало в истории естествознания, выявили все совершенство теории!

Построение эллипса с помощью нитки

Датский астроном Тихо Браге (1546-1601) с неутомимым прилежанием измерял астрономические величины без телескопа. Вначале он работал у себя на родине, а позднее стал придворным астрономом и астрологом германского императора Рудольфа II в Праге. После смерти Тихо Браге на эту должность был приглашен Иоганн Кеплер (1571-1630), который приступил к своим расчетам движения планет на основе рядов измерений, выполненных Браге. Дело подвигалось очень успешно: результаты вычислений лишь на 10' отклонялись от действительной картины ночного неба. Попробуйте ясным вечером, когда появляются первые звезды, измерить на небе расстояние в 10 или 20' с помощью руки (см. раздел «Что такое подобие?»). Вы сразу поймете, что разницу в 10' почти или совсем невозможно заметить. Конечно, Тихо Браге пользовался в своих измерениях не большим пальцем, а специальным прибором - квадрантом.

Большинство искусственных спутников облетает Землю по эллиптическим орбитам

Кеплер неоднократно повторял расчеты, но никак не мог объяснить себе эту ничтожную ошибку. В конце концов остались лишь две возможности. Либо Браге допустил неточность в измерениях, либо модель Коперника в чем-то была неверна. На повторение измерений Браге понадобились бы годы. Поэтому Кеплер сначала попробовал внести изменения в модель. Он перебрал дюжину различных круговых орбит. Ошибка не исчезла. И тогда с глубоким внутренним сопротивлением он принял в качестве планетных орбит эллипсы. Сама мысль, что небесные тела могут двигаться по столь несовершенным орбитам, казалась ему святотатством. Кеплер, несомненно, был поражен, когда после некоторых колебаний измерения Браге вдруг сразу и безошибочно совпали с его эллиптическими орбитами. Приблизительно в то же время, когда Кеплер опубликовал результаты своих вычислений, книга Коперника была включена в список сочинений, запрещенных католической церковью. Там она и пребывала в течение 200 лет, до 1820 г. Но это не могло повлиять на истину!

Кратчайшее расстояние от первого фокуса до любой точки на кривой эллипса и от нее до второго фокуса всегда удовлетворяет закону отражения от касательной в этой точке

Когда мы слышим сегодня по радио сообщение об очередном запуске нового спутника, стоит вспомнить, что его орбита вокруг Земли будет эллиптической, как это предсказал Кеплер.

КРАТКИЙ КУРС ДЛЯ ХОККЕИСТОВ

Если большинство читателей нашей книги сами не играют в хоккей, то по крайней мере знакомы с этой игрой по экрану телевизора. Пятеро крепких парней, защищенных толстыми бандажами и шлемами, пытаются загнать маленький диск, называемый шайбой, в ворота противника, в чем им столь же энергично стараются помешать пятеро других не менее крепких парней. Так вот, хоккей на льду отличается от большинства подобных игр с мячом одним существенным моментом: в нем не бывает аутов.

Когда в футболе, теннисе или в другой аналогичной игре мяч покидает пределы игрового поля, игра останавливается, мяч возвращают назад и один из игроков, соблюдая известные правила, снова вводит его в игру. На льду дело обстоит иначе. Поле обрамлено бортиком, прочным деревянным барьером, который отбрасывает ударившуюся о него шайбу обратно, и игра продолжается без всякого перерыва. Хоккеисты бессознательно овладевают законами отражения. Они используют правило «угол падения равен углу отражения», чтобы обыграть противника. Пока шайба ударяется о прямолинейные участки бортика, все происходит очень просто. Но совсем иная ситуация складывается в углах поля. Там бортик имеет криволинейную форму. Когда шайба отскакивает от него в таких местах, то летит, скользя по льду, в самых неожиданных направлениях. Если вы не интересуетесь хоккеем, все равно прочтите этот раздел. То, что справедливо для углов ледяной спортплощадки, справедливо и для зеркал для бритья, зеркальных рефлекторов в карманных фонариках, громкоговорителей. Во многих семьях имеются малоформатные игры для испытания ловкости. Суть их в том, чтобы загнать в луночки поля, заключенного под стеклом, один или несколько шариков. Шарики наталкиваются на стенку игрового поля, обычно имеющего округлую форму. Куда же они отскочат?

Возможные случаи отражения в эллипсе. На практике они используются при строительстве волнорезов и конструировании неразбрызгивающих воронок (хоботов), например при бетонировании и в литейном деле

Большинству из нас еще со школьной скамьи знакомо понятие конических сечений. Если разрезать конус перпендикулярно его главной оси, то получится круг, а если разрез сделать косо, круг превратится в эллипс. Чем больший наклон имеет сечение, тем более вытянутым (более эксцентрическим) становится эллипс. Наконец, если плоскость сечения ориентирована параллельно образующей конуса, то эллипс переходит в параболу. А если построить зеркальное отражение конуса так, чтобы оно и сам конус соприкасались вершинами, и потом провести сечение, проходящее через оба конуса, то возникает гипербола.

Следовательно, у Коперника и у Кеплера не было, в сущности, никаких оснований для особого пристрастия к той или иной форме планетных орбит. В конце концов, круг - это только частный случай эллипса. Строго говоря, нам достаточно знать из курса математики лишь уравнения эллипса. Круг также охватывается ими. Центр круга расщепляется на два фокуса эллипса. Или, выражаясь иначе, оба фокуса эллипса в круге совпадают между собой и называются его центром.

Иоганн Кеплер установил, что Солнце расположено в одном из фокусов эллиптической орбиты Земли. В свою очередь Земля находится в одном из фокусов эллиптических орбит многих искусственных спутников, вращающихся вокруг нее. В обоих случаях в другом фокусе нет ничего. Тем самым вся система становится резко асимметричной. Мы, однако, можем утешиться тем, что зеркальное отражение эллипса столь же устойчиво. Поэтому при запуске спутника у нас всегда есть две возможности для образования эллиптических орбит, между которыми мы можем выбирать.

В то время как ракета отражается гравитационным полем планеты, сама планета перемещается и сообщает ракете дополнительный импульс

Тень шара лишь в редких случаях представляет собой круг. Обычно она приобретает форму эллипса. Поверхность вина в бокале имеет форму круга. Но стоит нам наклонить бокал, как она преобразуется в эллипс.

Существуют многочисленные способы построения эллипса. Самый простой из них - с помощью тонкого шпагата или нитки и двух чертежных кнопок. Воткнув кнопки в точки, отвечающие намеченным фокусам эллипса, туго натягиваем нитку, соединяющую оба фокуса, острием карандаша. Если теперь, сохраняя туго натянутой нитку, вести карандаш по бумаге, то он вычертит эллипс.

Построим в какой-нибудь точке касательную к эллипсу; тогда обе ветви нитки (радиусы-векторы) будут образовывать с ней одинаковые углы. А это означает, что если я, находясь в точке фокуса, сильно пробью по мячу в сторону эллиптического бортика, то, отскочив от бортика, мяч обязательно пролетит через другой фокус. При этом совершенно безразлично, в каком направлении пробили по мячу первоначально.

Вспомним о пожарной команде, которая спешила из своего депо к очагу пожара, а прежде, чем туда попасть, должна была запастись водой из реки. Кратчайший путь обеспечивался в том (и только в том!) случае, если пожарная машина подъезжала к реке и отъезжала от нее под одинаковым углом. Задача имела только одно решение. А вот если бы пожарная команда пребывала на острове эллиптической формы или на полуострове, береговая линия которого представляет собой сектор эллипса, и если бы пожарное депо и место пожара находились в фокусах эллипса, то решений было бы бесконечное множество. Даже если бы пожарная машина сначала поехала «в ложном направлении», то есть в сторону от пожара, то она все же прибыла бы к месту пожара за то же самое время, какое она затратила бы, выбрав любое другое направление.

Все же мяч может оказаться в точке фокуса лишь в порядке весьма редкого исключения. Положим, он летит таким образом, что не проходит между фокусами. В этом случае он будет метаться туда-сюда возле эллиптического бортика, многократно от него отражаясь. Тогда в траекторию мяча можно вписать малый эллипс. Если же, наоборот, мяч был сразу же пробит в пространство между фокусами, то он там и останется.

Луна - крохотная цель в огромном космическом пространстве

Хоккеист, хорошо знающий законы отражения от криволинейных поверхностей, несомненно, будет иметь при угловой игре преимущество. Однако разобранные выше случаи, вероятно, чересчур сложны, чтобы помнить о них в пылу игры.

При сварке пластмасс желательно иметь источник тепла, действующий только в одной точке (т. е. с точечным нагревом) и работающий бесконтактно. Прежде всего напрашивается мысль применить для фокусировки лучей линзы. Но это практически неосуществимо, так как стекло линзы слишком сильно накалялось бы. Поэтому прибегли к использованию свойств эллипса. Отражающая часть эллипса изготавливается из металла с зеркальной поверхностью (и поэтому является жаропрочной). В одном из фокусов располагается галогенная лампа (она знакома нам в качестве автомобильной фары для тумана). Галогенные лампы испускают длинноволновое излучение. Часть лучей этой лампы, отраженная эллипсом, направляется в виде пучка через другой фокус. Лишь там температура достигает многих сотен градусов. Вне фокуса сварщик пластмасс может подставить руку под луч, не рискуя обжечься.

Конечно, придавая зеркалам рефлекторов надлежащую форму, можно создавать и линейные фокусы (то есть фокусы в виде линии или черты). С их помощью удается получать на пластмассовых листах узкие длинные зоны столь сильного разогрева, что материал в них поддается деформации. Так изготавливаются, например, из пластмассы выдвижные ящики для столов.

В эллиптических помещениях отмечаются интересные акустические явления. Того, кто стоит и говорит в одной фокусной точке, лучше всего слышно в другом фокусе. На этом эффекте основана так называемая «галерея шепотов». С другой стороны, эллиптические помещения могут быть разделены на акустически различные зоны. Посмотрите еще разок на чертежи, иллюстрирующие отражение в эллипсе. Туда, куда не может попасть отраженный мяч, не донесется и отраженный голос.

БИЛЬЯРД В КОСМОСЕ

Мы уже несколько раз в наших сравнениях обращались к бильярду и хоккею на льду. Однако игроки в бильярд или любители хоккея лишь устало улыбнулись бы, прочитав наши рассуждения о законах отражения как основе обеих игр. Точно так же, как теннисисты, футболисты и другие игроки в мяч, они отлично знают: подлинное искусство игры как раз в том и состоит, чтобы не дать мячу или шару двигаться согласно закону «угол падения равен углу отражения». Дополнительное закручивание теннисного мяча, срезка бильярдного шара - подобные приемы сильно расширяют игровые возможности.

Еще более сложные варианты возникают у инженеров, запускающих ракеты в космическое пространство. И здесь приходится рассматривать различные случаи отражения. При этом, разумеется, искусственное небесное тело не отскакивает от самой планеты, но вполне может «наскочить» на гравитационное поле - например, когда космический зонд - межпланетная автоматическая станция - пролетает мимо Луны или Венеры.

Когда такая станция приближается к космическому телу, на нее начинает действовать его гравитационное поле, оно притягивает станцию. Вследствие этого скорость движения станции возрастает. Если ее начальная скорость и траектория рассчитаны правильно, то станция, описав элегантную кривую, облетит вокруг небесного тела и при этом сделает желаемые измерения и снимки. Затем она вновь начнет удаляться от космического тела, пока практически не покинет сферу влияния его гравитационного поля. Теперь скорость станции по отношению к планете, вокруг которой она совершает облет, вновь становится равной ее скорости в начале петли - полная аналогия с бильярдным шаром, отскочившим от борта (при отсутствии трения). Но направление станции после облета планеты изменилось - опять-таки, как у бильярдного шара.

Есть, однако, и разница. Борт бильярда - жесткий и неподвижный. Планета же, напротив, с немалой скоростью несется по эллиптической орбите вокруг Солнца. Пока космический зонд описывал оборот вокруг нее, она успела улететь дальше по орбите на несколько сотен тысяч километров и, конечно, увлекла с собой легкую станцию, сообщив ей тем самым дополнительный импульс. Правда, по отношению к облетаемой планете энергия станции не возрасла и не уменьшилась, но по отношению к Солнцу как центральной точке отсчета она изменилась. Следовательно, здесь речь идет об отражении от подвижного зеркала, когда скорость перемещения зеркала начинает оказывать влияние на отраженную часть системы. Этим методом можно придать ракете в космическом пространстве дополнительную скорость, не включая ее реактивных двигателей. Конечно, гравитационное притяжение может быть использовано и как тормоз.

В космонавтике многие проблемы связаны с движением стартовой платформы (Земли, Луны) и мишени. Из-за взаимных перемещений нельзя запускать межпланетные ракеты в любой произвольно выбранный день или час. Когда ракета по прошествии нескольких дней или месяцев пересечет орбиту планеты-мишени, эта планета должна находиться поблизости от пролетающей ракеты. Даже со столь «близко расположенной целью», как Луна, вначале возникали большие трудности - как в нее попасть? Запущенная США ракета «Рейнджер-6» пролетела мимо Луны в 32 км от нее, «Рейнджер-7» прошел уже ближе - в 17 км, «Рейнджер-8» снова промахнулся на 32 км, а ошибка «Рейнджера-9» составила всего 5 км. Дело в том, что Луна, имеющая диаметр 3400 км, в бесконечной Вселенной представляет собой невообразимо маленькую и к тому же еще подвижную мишень. Тем больше успех советских инженеров, которые годом раньше достигли попадания в Луну уже при запуске станции «Луна-2».

ДВУХ ОДИНАКОВЫХ ЯИЦ НЕ БЫВАЕТ

Так назвал орнитолог Вольфганг Маркач свою интересную книгу о птицах и их яйцах. Он утверждает, во-первых, что все яйца разные, а во-вторых, что они никогда не бывают круглыми Последнее понять просто: продолговатое яйцо птице легче снести. В идеальном случае яйцо имело бы форму эллипсоида вращения. Но лишь немногие птицы придерживаются этого идеала. Большинство яиц представляют собой нечто среднее между шариком для пинг-понга и торпедой обтекаемой формы; такую форму принято называть овоидальной.

С точки зрения прочности шарообразная форма яйца была бы более благоприятной. Шар не только имеет максимальное число плоскостей симметрии (бесконечно много), но и наибольшую из всех тел прочность на сжатие. Впрочем, у яйца сопротивление сжатию тоже очень велико. Профессор Отто Патцельт в своей книге «Рост и строительство» (Patzelt О. Wachsen und Bauen. Berlin: VEB Verlag ftir Bauwesen, 1972) приводит расчет сжимающих усилий, которые способно выдержать куриное яйцо, и того места, где оно легче всего раскалывается. Яйцо выдерживает нагрузки в несколько сот килограммов, если только они не ударные и не приложены в одной точке. Благодаря своей форме яйцо прочнее всего в сечении, отвечающем его наибольшему радиусу. Жизненно важное для цыпленка «расчетное место излома» расположено ближе к острому концу яйца.

Среди птиц, обитающих на территории ГДР, как пишет д-р Маркач, наименьшие яйца кладет не крапивник, яйцо которого весит 1,3 г, а королек, который сам весит всего 5 г: вес его яйца 0,12 г.

Известный трюк Христофора Колумба с яйцом заключается в том, что он сумел поставить яйцо вертикально на острый конец. Колумб ловко стукнул яйцо о стол, так что его кончик, потрескавшись и расплющившись, образовал нечто вроде платформы. Однако для наших рассуждений о симметрии было бы лучше, если бы Колумб заставил яйцо вращаться подобно волчку, разумеется тоже на остром конце. Но производить подобные опыты с яйцами опасно, поэтому возьмем детский волчок или, еще проще, обыкновенную кнопку с неуплощенным острием.

Ни одно яйцо не похоже на другое

Яйцо, волчок и кнопка имеют ту же симметрию, что и фунтик с мороженым, который мы уже рассматривали. У всех этих предметов есть ось симметрии и бесконечное множество плоскостей симметрии. (Вот хорошая тренировка для ума - классифицировать окружающие нас предметы по признаку их одинаковой симметрии.) Возьмем волчок за острие большим и средним пальцами и щелчком «крутанем» его по столу. Волчок отлетит и затанцует на столе (превосходная игра в часы досуга). В каком направлении он крутится? Оказывается, против часовой стрелки, то есть в левую сторону. Теперь поставим на стол зеркало и, держа его в вертикальном положении, понаблюдаем за отражением волчка. Если волчок приближается к зеркалу, отражение волчка движется ему навстречу. Если он удаляется от зеркала, то и отражение уходит на задний план. Когда волчок движется вправо, его отражение перемещается вместе с ним. Мы вольны определять это направление в зеркале, как нам будет угодно.

Но вот как выглядит в зеркале вращение против часовой стрелки? Конечно, в зеркальном изображении оно представляется нам вращением по часовой стрелке. Волчок и его зеркальное отражение ведут себя как пара сцепленных между собой шестеренок.

До сих пор зеркало у нас стояло перпендикулярно доске стола. Теперь давайте щелчком «запустим» волчок на поверхности горизонтально положенного зеркала. Острие волчка в этом случае стоит на острие его зеркального отражения, которое вращается так, будто оно связано с оригиналом общей осью, т. е. в том же направлении. Этот эффект особенно ошеломляет, если поворачивать перед зеркалом автоматический карандаш. Такие карандаши снабжены с одной стороны зажимом, вследствие чего направление вращения приобретает особую наглядность. Пока карандаш располагается вертикально, то есть параллельно зеркалу, он и его отражение вращаются отчетливо в разные стороны. Но вот мы начинаем медленно опрокидывать карандаш таким образом, чтобы его острие все время оставалось в одной точке поверхности зеркала, а верхний конец опускался. При этом мы продолжаем вращать карандаш вокруг его длинной оси. Пока он еще хоть сколько-нибудь наклонен к плоскости зеркала, мы по-прежнему наблюдаем в зеркале обратное направление вращения. Но как только ось карандаша становится перпендикулярной зеркалу, отражение начинает вращаться в том же направлении, что и оригинал.

Разумеется, ни предмет, ни его зеркальное отражение не меняют направления своего вращения. Левое и правое направления зависят от того, где мы стоим или куда мысленно направляемся. Правое заднее колесо вагона крутится вправо, если мы смотрим на него с правой стороны вагона. Но, стоя с левой стороны и заглядывая под вагон, мы увидим правое колесо вращающимся влево. Поскольку этого «не должно быть», мы просто мысленно переставляем себя на другую сторону вагона и утверждаем (с полным на то правом), что оба задних колеса вращаются вправо - даже если собственными глазами видим, как одно из них крутится влево.

ЗАПУТАННЫЙ УЗЕЛ

Внимательный читатель, должно быть, уже заметил, что мы стараемся по возможности избегать употребления специальных терминов. Нередко в погоне за наукообразием широко пользуются греческими, латинскими или английскими словами. Специальные термины приобретают действительный смысл в той мере, в какой они служат точным определением какого-то обширного понятия. Так, слово «электрон» включает в себя целый комплекс подчиненных ему частных понятий и представлений: мельчайшие частицы, отрицательно заряженные, обращаются вокруг положительно заряженного атомного ядра по квантованным (новый термин) орбитам и т. д. Очевидно, что в данном случае представляется вполне оправданным объединить многие частные свойства объекта в одном слове.

Весьма спорно применение специальных терминов в тех случаях, когда какое-то одно слово родного языка заменяется иноязычным словом. Говоря о винных кислотах, мы отмечали, что слово «правый» можно заменить словом «dexter». Такую замену иногда обосновывают тем, что слово становится интернациональным, понятным человеку, говорящему на любом языке. Это, конечно, веский довод. Но ведь если руководствоваться только им, то не стоит употреблять и названий веществ, а достаточно использовать химические символы.

На самом же деле тяготение к чужестранным словам восходит еще к тем временам, когда знание греческого и латыни было неотъемлемым признаком определенного социального положения. Еще хуже, когда пользуются профессиональным жаргоном. Ведь всякий охотник не охотник, если он не зовет лисий хвост «трубой». Точно так же в морском лексиконе вас не должна смущать замена слова «узел» словом «штык» (запутанный узел носит название «китайский штык»).

Распределение нагрузки в скорлупе яйца: каждое яйцо имеет определенное место раскола

Возьмем бельевую веревку и бросим ее в возможно большем беспорядке на пол. Затем, сунув руку в эту кучу, схватим веревку в любом месте, без разбора, и потянем. Образуется петля, и одновременно начнет затягиваться узел. В конце концов он становится настолько тугим, что веревка перестает из него тянуться. Тогда нужно найти любой свободный конец веревки и потянуть за него. Вероятно, нам удастся освободить несколько метров. И на этом - все. Узел «защемил» веревку. Пока все еще вполне понятно (кроме, пожалуй, одного: к чему вообще здесь об этом говорится?). Но в дальнейшем встает задача развязать затянувшийся узел, для чего существуют разные способы. Всякий «салага» станет пытаться продеть свободный конец сквозь первые петли, которые он зажимает. Опыт показывает, что, раз начав применять такой метод, приходится уже бесконечно снова и снова продергивать сквозь петли конец веревки, который становится все длиннее.

Иначе поступит моряк (а также читатель этой книги, если он еще не забыл, о чем говорилось в разделе «Чарли Чаплин и морской узел»). Поскольку при «изготовлении» узла свободный конец веревки ни разу ни через одну петлю не продевался, петли могли возникнуть только вследствие перекручивания веревки; иными словами, речь здесь идет об однократных перехлестываниях. Проще всего поэтому несколько растеребить спутанный узел и потянуть за свободный конец до отказа, снова растормошить узел, снова потянуть и т. д. Поначалу просто диву даешься, как это подобный моток веревки удается распутать, не прибегая к пропусканию свободного конца сквозь петли. Внимательный человек заметит еще и то, что подчас после очередного распутывания узел отпускает лишь короткий кусок веревки, но потом из клубка вновь без труда вытягиваются многие метры. Очевидно, степень переплетения веревки в разных местах спутанного узла различна.

Если волчок вертится перед зеркалом, то его зеркальное отражение крутится в обратную сторону! В то же время в зеркале, на плоскости которого он вращается, направление вращения не меняется

Встречается ли китайский штык в природе? Да, конечно. Простейший пример - полиэтилен, пластмасса, из которой делают чаши, трубы и другие предметы. Полиэтилен состоит практически только из углерода и водорода; в химическом отношении он принадлежит к парафинам. Вы легко узнаете полиэтилен на ощупь - по его воскоподобной поверхности. По своему химическому строению полиэтилен (сокращенно ПЭ) - это цепь из нескольких десятков тысяч атомов углерода, с каждым из которых связано по два атома водорода. Если бы тем все и ограничивалось, молекулы ПЭ лежали бы, аккуратненько вытянувшись, рядом друг с другом или друг на друге и такой материал был бы мало на что пригоден. К счастью для химической промышленности, полиэтиленовая цепочка не прямолинейна. Каждое последующее звено несколько смещено в сторону по отношению к предыдущему, так что нитевидная молекула образует самый настоящий китайский штык. С этим запутанным узлом у молекулы ПЭ еще одно общее свойство: некоторые ее участки представляют собой совершенно спутанный узел, а на отдельных отрезках существует определенный порядок и симметрия. Атомы здесь почти близки к образованию кристаллической решетки. Химикам удается обнаружить такие участки с помощью рентгеновских лучей. Их называют кристаллоподобными или квазикристаллическими, так как атомы в них почти образуют кристалл.

Именно то, что нитевидные молекулы полиэтилена спутаны в китайский штык, и определяет особые свойства этого материала. Под действием нагрузки молекулярные клубки вытягиваются до тех пор, пока цепочки взаимно не зажмут друг друга - совсем так, как это происходило с нашей бельевой веревкой. На каком-то этапе растяжение прекратится. Но после снятия напряжения растянутый моток спружинит и снова примет первоначальное положение. А вот если действие сравнительно небольшой нагрузки будет длительным, у спутанных клубков окажется достаточно времени, чтобы распутаться. Кусок полиэтилена будет становиться все длиннее и длиннее - он потечет. На заре применения пластмасс из них делали болты и гайки. Но, туго затянув пластмассовый болт, через несколько дней обнаруживали, что соединение ослабело - болт саморазвинчивался, так как материал тек под нагрузкой. Операцию можно было повторять сколь угодно часто с неизменным результатом. Так что, как видите, мало создать новые материалы - необходимо еще точно установить, где и для чего их можно использовать.

СКАТАННЫЙ КОВЕР В «АНТИМИРЕ»

Глядя на скатанный ковер или шерстяное одеяло либо просто на туго свернутый в трубку лист бумаги, вы видите на торцевых концах рулонов спираль. Нам ведь уже известно, что спираль лишена всякой симметртш. Она ничем не лучше того запутанного узла, который образует полиэтиленовая молекула. Однако вспомните: у зеркального отражения спирали витки направлены в противоположную оригиналу сторону. Это вселяет в нас надежду все же разглядеть в скатанном ковре кое-что интересное.

Давайте договоримся считать спиралью щель между слоями свернутого ковра, так как витки такой спирали всегда будут находиться на одинаковом расстоянии друг от друга, равном толщине ковра.

Теперь немного расслабьте скатанный ковер, чтобы рулон стал менее тугим. А еще лучше взять изношенную часовую пружину. Теперь мы увидим спираль совершенно иного рода. Промежутки между витками у нее больше не одинаковы, а возрастают от внутренних витков к внешним. В математическом идеальном случае витки все время располагаются под одним и тем же углом к прямой, исходящей из центра спирали.

Молекулы полиэтилена образуют длинные цепочки

Великий Архимед (около 285-212 гг. до н. э.) первым описал «ковровую» спираль. В честь его она и получила название «архимедова спираль» (или «спираль Архимеда»). Спираль же, которую мы рассмотрели на примере отслужившей свой срок часовой пружины, называется логарифмической. Иногда трудно точно определить, с какого вида спиралью мы столкнулись. В большинстве своем это переходные типы между архимедовой и логарифмической спиралями.

Бороздки на долгоиграющих пластинках представляют собой архимедовы спирали. Напротив, природа предпочитает спирали логарифмические. На это у нее свои веские основания, о которых мы уже говорили при описании сосновых шишек и раковин и которые связаны с образованием поверхностью капли краевого угла. Именно этот угол приводит к возникновению логарифмической спирали - ведь она пересекает прямую, проведенную из центра в любом месте под одинаковым углом.

Как же соотносятся между собой спирали на противоположных торцах скатанного в рулон ковра? Они образованы одним и тем же ковром при скатывании его в одном направлении. И тем не менее одна спираль закручивается налево, а другая - направо. Они ведут себя как изображение и его зеркальное отражение.

У архимедовой спирали расстояния между витками всегда одинаковы

Если вы этому не поверите - а осознать это нелегко, - то скатайте лист бумаги и согните получившийся ролик таким образом, чтобы его концы располагались рядом друг с другом.

Теперь отчетливо видно, что спирали направлены в противоположные стороны. Возьмите ножницы и разрежьте бумажный ролик поперек. Одним махом вы образовали две новые противонаправленные спирали. Это ошарашивает почти так же, как разрезание ленты Мёбиуса (см. раздел «Чарли Чаплин и морской узел»). Некоторые виды пауков строят свою сеть в форме спирали. Представим себе, что два зоолога находят такую вот сеть. По мнению одного из них, она представляет собой правозакрученную спираль. Но другой зоолог случайно оказывается по другую сторону паутины. И он станет возражать. Его паук ткет в левом направлении. На этом примере мы снова видим, как зависят левое или правое от того, где находится наблюдатель.

У логарифмической спирали все время выдерживается постоянный угол относительно оси (раковина улитки)

Вопрос еще больше усложняется, если нет ясности, как построена спираль: от центра к периферии или от периферии к центру. Попросим кого-нибудь нарисовать правую спираль от внутренних витков к наружным. Потом прикроем его рисунок, и пусть он изобразит правую спираль снаружи внутрь. Естественно, при этом появится зеркальное изображение первой спирали.

Пожалуй, стоит еще немного поразмыслить о разрезанном бумажном ролике. Вследствие разделение ролика на две части возникли две зеркальные спирали. Но ведь это должно означать, что если соединить, составить вместе две зеркальные спирали, то они исчезнут совсем. И они действительно исчезают! На этом основано много фокусов. Но и физики тоже сталкиваются с такой проблемой, когда они прибегают к моделям при описании взаимодействия противоположных зарядов (положительного и отрицательного).

Фокус с физической подоплекой. Если потянуть за один конец шнура, он весь целиком смотается с палки. Противоположно направленные обмотки снимаются сами собой

Американский физик и писатель Чарлз Говард Хинтон использовал для этой цели спиральную модель. (Мы уже упоминали о Хинтоне в разделе «Лайнландия и Флатландия»). Взяв большим и указательным пальцами одной руки палку с прижатым к ней шнуром за середину, свободной рукой он намотал обе половины шнура вокруг палки в виде правой и левой спиралей. Затем он отпустил прижатую середину шнура и потянул за оба его свободных конца, концы при этом смотались с палки. Один важный момент: на палке по обе стороны от прижатого места должно быть одинаковое число витков! Дело в том, что каждый правый виток должен сниматься соответствующим левым витком (или наоборот). В этой модели изображение и его зеркальное отражение взаимно уничтожают друг друга. Идея профессора Хинтона нашла особенно благодатную почву у писателей-фантастов.

Антипротон Р сталкивается в пузырьковой камере с протоном р, и они распадаются на 5 я- мезонов

В физике удалось доказать наличие античастиц, и все физики поголовно убеждены в существовании антиматерии. «Анти» - означает здесь, по существу, то же, что и «противоположно направленный». Электрические заряды имеют противоположные знаки, все направления вращения тоже меняются на обратные. И за это ухватились люди, наделенные фантазией. Если спираль может быть «стерта» ее зеркальным отражением, то, по их мнению, это должно быть справедливо и для генной спирали, и вообще для любых случаев зеркального соответствия. А тогда, делают они следующий вывод, возникновение каждого гена в нашем мире сопровождается появлением зеркального отражения этого гена в «антимире».

В научно-фантастической литературе гипотетические столкновения между нашим миром и «антимиром» всегда кончаются плохо. В одной из подобных историй рассказывается о том, удалось построить туннель между обоими мирами, по которому должен пройти поезд. При пересечении антиграницы водителю следовало перевести рычаг налево. И вдруг, к своему удивлению, он видит этот рычаг уже с левой стороны. Прежде чем он понимает, что весь поезд теперь превратился в свое отражение и рычаг нужно поворачивать вправо, становится поздно. Происходит катастрофа.

Спин. Элементарные частицы 'вращаются'. Спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить

А может быть, «антинесчастье» - это счастье? Нет, это не так, во всяком случае, с точки зрения физики. Несчастье и в отраженном виде остается несчастьем. Мы, само собой, употребляем здесь выражение «анти» в ином смысле, нежели это принято в философии и политике.

ДЫРКИ В МАТЕРИИ

Поскольку материя и антиматерия взаимно уничтожаются с высвобождением энергии (Этот процесс получил в физике название «аннигиляция» - Прим. перев), можно предполагать, что никто до сих пор антиматерии не видел и все с нею связанное существует лишь в человеческом воображении. Однако это не так! Еще в 1933 г. был открыт позитрон - античастица электрона. А двумя годами раньше аналогичная позитрону частица наблюдалась в космическом излучении. С тех пор крупные научные центры весьма усердно трудятся над получением всевозможных античастиц.

Теперь нам следует вспомнить, что окружающие нас материальные тела состоят главным образом из «пустот».

Начнем с атомов. Характерный размер этих образований, которые можно представить себе как маленькие шарики, около 10-8см. Вся мизерность этой величины гораздо ощутимее, когда она представлена дробью: единицей, деленной на единицу с восемью нулями.

Каждая координатная система с правой ориентировкой может быть путем отражения преобразована в левостороннюю

Общеизвестно, что атом состоит из положительно заряженного, ядра и электронной оболочки. Ядро имеет в поперечнике 10-12см. Это значит, что на отрезке, равном диаметру атома (10-8см), можно расположить в ряд 10 тыс. атомных ядер (10-12см). Следовательно, атом почти пустой и ядро составляет лишь ничтожную долю его объема.

Если мысленно спрессовать атомы до размеров их ядер, то в одной двадцатикопеечной монете их вместится столько, что ее масса составит 50 млн. т.

Итак, диаметр атома измеряется величиной порядка 10-8см. Поразмыслим-ка над тем, что это означает. На отрезке длиной 1 см можно уложить более 100 млн. атомов. А кубик с ребром в 1 см содержит около 10^24 атомов. Сравните: население Советского Союза составляет несколько более 2,62 • 10^8 (262 млн.) человек. А всего на земном шаре сейчас проживает свыше 4,5 • 10^9, то есть порядка 4,5 млрд. человек. Но понадобился бы триллион миров с населением в один триллион каждый, чтобы получить число, равное количеству атомов в 1 см^3.

Цилиндр без особых отличительных признаков при переходе в противоположно ориентированную систему координат меняет лишь направление своего вращения (сверху). Конус, кроме того, меняет и свое положение (снизу)

И тем не менее атомы - еще не последний предел деления материи, это отнюдь не те простые, неделимые шарики, какими их представляли себе наши отцы и деды. Атомы сами состоят из более мелких единиц - таких, как протон, нейтрон и электрон. Кстати говоря, эти составные частицы атомов вполне могут существовать - путь лишь ограниченное время - и самостоятельно, вне атома.

Помимо трех уже названных физики нашли свыше 109 других частиц. Столь большое количество элементарных частиц наводит на мысль, что они не являются конечным звеном в природе и что широчайшее разнообразие форм создано из немногих составляющих. Поэтому физики надеются найти такой принцип упорядочения, который даст простое объяснение нынешней неразберихе частиц и античастиц.

Однако мы еще не рассказали, каким образом можно было бы обнаружить античастицу, если она мгновенно аннигилирует при столкновении с частицами. Представим себе сосновое редколесье, где дерево от дерева отстоит на 20 м. Охотник, выстрелив наудачу в таком лесу, может иногда попасть в ствол одного из ближайших деревьев, но в каких-то случаях его пуля пролетит по лесу довольно далеко, не зацепив ни единой сосны. Для элементарной частицы из космоса воздушная оболочка нашей Земли и сама наша планета - то же самое, что редколесье для пули. Но если античастицы так невообразимо малы, как же физикам удается их обнаружить? Разумеется, ученые их не могут видеть, как не видят они и электрического тока. Они лишь наблюдают за их действием, подобно тому как распознают электрический ток по вызванным им эффектам (отклонение магнитной стрелки, накаливание проволоки и т. д.). Примером тому может быть инверсионный (конденсационный) след, оставляемый турбореактивным самолетом, - шлейф, который тянется за ним на 20- или 30-километровой высоте. И хотя мы часто самого самолета не различаем, но узнаем о его присутствии по производимому им действию. Причем мы точно знаем, что это именно турбореактивный самолет, а не самолет с поршневым двигателем.

Именно принцип конденсационного следа используют физики-атомщики. Частицы высоких энергий, пролетая через газ, способный конденсироваться, то есть образовывать капельки, оставляют за собой инверсионный след. Когда заряженная частица пролетает через переохлажденный водяной пар (пар воды в отличие от «тумана» прозрачен!), происходит конденсация пара и вдоль траектории движения частицы образуется след из капелек воды - трек. Эти следы иногда имеют резкие изломы. Каждая такая точка излома траектории фиксирует соударение двух частиц. При этом уже на основе законов отражения в сочетаний с законами сохранения энергии и импульса, с помощью измерения ширины трека и т. п. удается в какой-то мере оценить скорость, массу, заряд и другие параметры частицы. Подчас из такой точки перелома выходят новые треки. Это значит, что при столкновении двух частиц возникли новые частицы. Именно такой случай, когда было отмечено появление пяти новых траекторий, и удалось наблюдать впервые в 1933 г.

Для случая столкновения протона с антипротоном теоретики предсказали рождение пяти новых элементарных частиц.

Между тем на больших ускорителях заряженных частиц были получены самые разнообразные античастицы. Они всегда очень недолговечны, так как вскоре сталкиваются с обычными частицами и аннигилируют. Но мы все же имеем очень точное представление об их массе и величине заряда.

В атоме антиводорода «антиэлектрон» - позитрон обращается вокруг отрицательно заряженного ядра - антипротона. При столкновении с обычным атомом водорода из-за мгновенной аннигиляции высвободилась бы энергия, примерно в 1000 раз превосходящая энергию распада ядра, используемую, например, в атомных электростанциях.

По соображениям симметрии большинство астрофизиков полагают, что во Вселенной имеется ровно столько материи, сколько и антиматерии. К счастью, миры, где атомные ядра имеют положительные заряды, удалены от миров с отрицательно заряженными ядрами атомов на весьма солидные расстояния. Поэтому в течение ближайших 1000 млрд. лет нет оснований опасаться столкновения нашей Галактики с ее антиподом во Вселенной.

ЧТО ТАКОЕ МОДЕЛЬ?

Возможности человеческого чувственного восприятия весьма ограниченны. Пока речь идет об отрезке длиной в 1 мм или 10 км, о трех месячных окладах или о ведре воды, мы представляем себе эти величины вполне конкретно. Но толщину паутинки, или миллион марок, или расстояние между Берлином и Сиднеем зрительно воспринять мы не можем. А уж элементарная частица совершенно не поддается наглядному представлению. Мы можем осмыслить ее только с помощью математических уравнений или моделей. Ученые постоянно пытаются в своих моделях придать наглядность тому, что не поддается наглядному представлению. Лучшими моделями являются те, которые будучи весьма наглядными, позволяют производить на их основе расчеты. С 1910 г. ученые знали, что атом - это не простейший элемент в строении материи и что сам он построен из других элементов. Неизвестно было только, каким образом. Эта неизвестность очень мешала. Ведь строение нашего мира весьма красиво (пусть с мелкими дефектами) объяснялось при помощи маленьких бесструктурных шариков, называемых атомами. В кристаллохимии и общей химии, при расшифровке строения гена такая модель атомов с успехом используется и до сих пор. Но в те времена задача состояла в том, чтобы предложить такую модель строения атома, которая давала бы возможность дальнейшего использования представления об атомах-шариках и вместе с тем учитывала новейшие достижения физики.

В двадцатых годах нашего века физики Нильс Бор (1885-1962) и Вольфганг Паули (1900-1958) создали модель атома, которая объясняла спектры излучения и поглощения атомов и удовлетворяла одновременно требованиям наглядности (Ядерная (планетарная) модель атома была предложена Э. Резерфордом; Н. Бор усовершенствовал ее, введя два постулата (допущения), основанных на квантовой теории. В. Паули сформулировал принцип («запрет Паули»), согласно которому в физической системе не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом квантовом состоянии. - Прим, перев). Бор мысленно представил себе, что электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра по вполне определенным орбитам. «Величина» орбит была вычислена с помощью кванта действия Планка. Последнее понятие связывает частоту электромагнитного излучения с энергией кванта, то есть минимальной порцией энергии излучения с заданной частотой. Оказалось, что и параметры электронных орбит связаны с постоянной Планка - коэффициентом пропорциональности между частотой и минимальной порцией энергии. Постоянная, или квант действия, Планка - реальная величина, найденная экспериментально и обозначаемая латинской буквой h.

Электронные орбиты в атоме радия (по Нильсу Бору) - микромир, полный симметрии и красоты

Согласно Бору, на любом разрешенном в его модели энергетическом уровне (находящемся на определенном расстоянии от ядра) допускается одновременное пребывание не более некоторого максимального числа электронов. На основе модели Бора можно предсказать, сколько электронов имеет тот или иной атом и как они распределены вокруг его ядра.

К 1926 г. физики-атомщики выяснили, что каждому электрону и вообще всякой элементарной частице присущ «спин». В упрощенном модельном изображении мы представляем себе частицы как маленькие шарики, вращающиеся вокруг своей оси (подобно Земле!) (По современным представлениям, спин (собственный момент импульса элементарной частицы) имеет квантовую природу, он не связан с движением частицы как целого в пространстве и не поддается описанию с позиций классической динамики, то есть не может быть представлен наглядно. - Прим. перев). Этот спин нельзя ни увеличить, ни уменьшить, он всегда сохраняет постоянную величину. Спин элементарных частиц имеет постоянную величину; для большинства частиц он равен Л/2π, или просто 1/2 , как принято в сокращенной форме записи.

Распад πsup+/sup -мезона. Янг и Ли доказали, что природа в данном случае действует несимметрично! В 'антимире' тоже существует лишь один вариант распада πsup+/sup -мезона

С этих пор нам стало известно, что атомы гораздо сложнее, чем предполагал Нильс Бор. Однако наиболее существенные идеи, положенные в основу модели Бора, - возможность описания строения атома с помощью квантовых чисел, ограничения, наложенные на электронные орбиты, - полностью справедливы и поныне.

ЗАГЛЯНИ В ЭЙНШТЕЙНА!

Неспециалистам в области физики из всей теории относительности знаком по большей части только парадокс времени, часто называемый также «парадоксом близнецов». Космический корабль со скоростью, близкой к световой, несется сквозь просторы Вселенной. Вследствие этого часы на нем должны идти медленнее, чем на Земле. Когда космонавты через два или три года (по их счету) возвратятся на Землю, то окажется, что там протекли столетия. Однако этим вопросом мы здесь заниматься не станем, а обратимся к проблемам симметрии, связанным с теорией относительности.

Математик Герман Вейль (1885-1955) рассмотрел (1929 г.), как будет вести себя элементарная частица, движущаяся в пространстве со скоростью, равной или близкой скорости света, и вместе с тем обладающая спином. Приняв в качестве модели вращающийся шар и следя за одной точкой на его поверхности, Вейль нашел, что эта точка прочертит в пространстве либо право-, либо левостороннюю винтовую линию, то есть спираль.

Пока наблюдатель стоит (или передвигается, но медленнее, чем «летит» шар), он видит приближение этой спирали, ее прохождение мимо него и наконец удаление при той же ориентации вплоть до исчезновения. Что произойдет, однако, если наблюдатель движется быстрее, чем частица? Подобные вопросы, затрагивающие относительные скорости двух движущихся тел, играют в теории Эйнштейна существенную роль.

Допустим (вместе с Вейлем), что для покоящегося наблюдателя частица имеет правый спин; тогда движущийся наблюдатель, летящий со сверхсветовой скоростью, увидит у той же частицы левый спин. Моделью сказанного может служить железнодорожный поезд, незаметно трогающийся с места. Глядя в окно, вы видите, что отъехал, и притом в обратном направлении, поезд, стоявший на соседнем пути. Но возможно ли в действительности наблюдение над спином, подобное тому, которое мы только что допустили? Нет! Ибо, согласно теории относительности, скоростей, превышающих скорость света, не бывает. Так что, если мы определили у выбранной Вейлем частицы правую спираль, то она и должна быть правой спиралью. И наоборот, если наблюдалась левая спираль, то она и есть левая спираль. Профессор Вейль просчитал все варианты этой задачи. Он полагал, что, уже исходя из одних только соображений симметрии, должны существовать частицы без массы с левыми или правыми спиралями. Но в ту пору еще не знали частиц, которые могли бы обладать теми свойствами, какие приписал им профессор Вейль. Поэтому его соображения не вызвали большого интереса. В последующие годы физики-атомщики совершили необычное открытие. Они обнаружили в атомных ядрах частицу, не несущую электрического заряда. Назвали ее нейтроном. При распаде нейтрона возникали положительно заряженный протон и отрицательно заряженный электрон. С сохранением заряда все было в порядке. Но точные измерения показали, что закон сохранения энергии и массы не выполняется.

После того как было установлено, что возможность ошибки измерения тут исключена, встал вопрос о нарушении в этом процессе закона сохранения энергии и массы. Но такого положения ни в коем случае нельзя было допустить, ибо это значило бы объявить несостоятельной всю физику. В качестве «временного выхода» физики приняли, что в процессе распада нейтрона участвует элементарная частица с особыми свойствами. Во-первых, у нее не должно было быть массы покоя. Во-вторых, она должна была иметь нулевой электрический заряд.

Энрико Ферми (1901-1954) дал этой частице подходящее название - нейтрино - то есть маленькая нейтральная частица. Тем временем физики доказали существование нейтрино, а с 1956 г. они получают такие частицы в своих ядерных реакторах. Поразительна сама идея о том, что есть частица (теперь их стало несколько), не имеющая ни инертной массы, ни заряда, которой свойственно только «вращение», - спин.

Вопрос - что же, собственно, в таком случае «вращается» - начисто лишен смысла. Ведь наши шары или стрелки на бумаге (см. рисунок) суть только наглядные модели.

Английский математик Чарлз Л. Додсон (1832-1898), широко известный как Льюис Кэрролл, автор знаменитой «Алисы в Стране Чудес», придумал в своей сказке кота, который умел улыбаться. Мало того, этот Чеширский кот исчезал, но его улыбка оставалась. Так вот, улыбка без кота очень напоминает «вращение» при отсутствии массы и заряда.

В предыдущем разделе мы уже говорили о распаде π+ -мезона. Одним из продуктов его распада и является нейтрино. Согласно теории профессора Ли, при распаде π+ -мезона рождаются только нейтрино с правым спином и никогда не возникают нейтрино, имеющие левый спин (антинейтрино). В «антимире» все, разумеется, происходит наоборот.

Пространство, заполненное нейтрино с их направлением движения и с их спином, однозначно обнаруживает правостороннюю структуру (Считается, что на долю нейтрино приходится основная масса материи во Вселенной. - Прим. перев). Многие физики предполагают, что это явление как-то связано с тем, что наш мир изогнут или искривлен или по крайней мере обладает каким-то иным строением, нежели то, которое мы «видим» своими глазами. Именно такие мысли, должно быть, приходили в голову профессору Вейлю, когда он изучал с помощью теории относительности движение частиц со спином.

Нейтрино столь слабо взаимодействуют с другими частицами, что они беспрепятственно проходят сквозь твердые тела и толщу земли. Поэтому места регистрации нейтрино располагаются в рудниках, глубоко под землей. Все другие элементарные частицы застревают в защитном слое горных пород толщиной в несколько сотен или тысяч метров. И только нейтрино в состоянии проникнуть на такую глубину практически беспрепятственно.

За прошедшие годы было открыто еще два новых вида нейтрино. Вследствие этого симметрия пространства становится еще более запутанной.

ОТРАЖЕННЫЙ СПИН

Нужно сразу же подчеркнуть, что «действительность» отличается от ее описания в данном разделе в такой же мере, в какой модель атома Бора не похожа на действительное строение атома. Пока мы не теряем этого из виду, такой метод является вполне допустимым и научным.

Итак, представим себе, что мы присутствуем при научном эксперименте. Но каким образом можно понять, действительно ли мы наблюдаем эксперимент или же видим только его зеркальное отражение? Оказывается, никаким. Однако в результате эксперимента ученый выводит некое математическое уравнение. И в этом случае совершенно безразлично, использовал ли он для своего вывода оригинальный опыт или же его отражение. Мы ведь указываем в математике положение тела в пространстве, задавая координаты точек х, у и z. Тогда отраженные пространственные координаты были бы -х, -у и -z.

Пусть в этих «положительных» и «отрицательных» пространствах вращаются поочередно цилиндр и конус. Впрочем, в разделе «Двух одинаковых яиц не бывает» мы уже крутили конус на горизонтально лежащем зеркале. Там его отражение было перевернуто («стояло на голове») и вращалось в том же направлении, что и оригинал, а в вертикально поставленном зеркале - в противоположную сторону. При переходе из «положительного» пространства в «отрицательное» конус как бы испытает оба отражения, т. е. он одновременно перевернется «вниз головой» и изменит направление вращения на обратное. Цилиндр же, претерпев такое отражение, будет выглядеть подобно оригиналу, ибо у цилиндра в противоположность конусу верх неотличим от низа; только вращение будет происходить в обратную сторону.

Быть может, мы поступим правильно, еще раз напомнив, сколь малы элементарные частицы, о которых мы здесь образно говорим как о шарах, конусах и цилиндрах. Атом имеет диаметр порядка 10-8см; атомное ядро составляет его 1/10 000-ную долю, т. е. диаметр ядра имеет 10-12см. Частицы же, из которых построено ядро, еще в 100 раз мельче: их диаметр 10-14см.

Физики Янг и Ли (о них уже рассказывалось выше) в результате теоретических расчетов пришли к выводу, что при распаде одной из элементарных частиц, называемой к -мезоном, у продуктов распада должна проявиться определенная ориентация спина, то есть разная частота появления правых и левых спинов.

У π+ -мезона спин равен нулю. Когда такой мезон распадается, оба продукта его распада должны иметь один-правый спин, другой - левый спин [+ 1/2 + (- 1/2) = 0]. До Янга и Ли считалось, что любая из основных элементарных частиц вольна вращаться в любом - безразлично, правом или левом - направлении. Теперь ориентация спина была заранее предопределена теорией для каждой частицы.

Ввиду того что вращающиеся носители электрического заряда индуцируют вокруг себя магнитное поле, становится возможным также повлиять на направление их вращения путем приложения магнитных полей. Именно это и было сделано в эксперименте г-жи Bу, о котором мы писали выше.

Зеркально-симметричное движение, возможное в соответствии с (ложной или устаревшей) теорией, в природе не происходит! Благодаря этому нам удается с помощью такого опыта различать левую и правую стороны. Единственная необходимая предпосылка заключается в том, что получатель нашего послания живет в пределах обычной материи, а не антиматерии. Ведь у нас есть две возможности отражения: обращение направления вращения и перемена знаков заряда частиц. Существует античастица π+ -мезона - π- -мезон. Этот π- -мезон при своем распаде предпочитает другие направления спинов для возникающих продуктов деления.

Представлен ли портрет профессора Ли в отраженном виде? Или он только писал левой рукой и зеркальным шрифтом? Обратите внимание на пуговицы его костюма

Сравнив между собой рисунки, изображающие распад обоих мезонов, мы увидим, что в «антимире» направление спина у продуктов распада должно было бы быть таким же, как в случае зеркального отражения процесса распада в нашем мире. Симметрия вновь восстанавливается, если только рассмотреть достаточно большой участок Вселенной и принять во внимание существование античастиц.

Таким образом, симметрия мира, нарушаемая на расстояниях порядка 10-14 см, вновь восстанавливается в масштабах 10^25 см. Расстояние порядка 10^25 см примерно соответствует самому большому удалению, на котором наиболее мощные телескопы еще способны различать миры как раз того же размера, что и наш Млечный Путь.

Не станем умалчивать о том, что, как полагают физики, они тем временем обнаружили еще один случай распада элементарной частицы, который позволяет различать действительное и зеркальное изображения. Но в настоящее время этот вопрос представляет собой еще широкое поле для исследования.

Взгляните на интересный фотопортрет профессора Ли. Он демонстрирует не только сияющую улыбку, но и некоторые странности: мел у него в левой руке, а уравнения, относящиеся к распаду π+ -мезона, написаны на доске зеркальным шрифтом. Возникает вопрос: не левша ли профессор Ли и не вынуждены ли его студенты читать все написанное им с помощью зеркала? Или перед нами просто зеркальный снимок? Если вы не разберетесь в этом с первого взгляда, одна маленькая подсказка: присмотритесь к профессорскому пиджаку. Читательницы теперь сразу поймут, истинная перед ними фотография или зеркальная. Но мужчинам придется пояснить. Пиджак профессора застегнут «правильно»: так же, как застегиваются все мужские пиджаки. Пуговицы расположены на правом его борту, а петли - на левом. Следовательно, мы видим фотоснимок, отображающий правильное положение предметов. Только для того, чтобы ввести зрителей в заблуждение, профессор Ли писал уравнения на доске левой рукой и зеркальным шрифтом.

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

В известной сказке злая царица, обращаясь к своему волшебному зеркальцу, спрашивает:

«Свет мой, зеркальце! скажи

Да всю правду доложи:

Я ль на свете всех милее,

Всех румяней и белее?»

Отражение в зеркале ответило и на этот, и на огромное множество самых разных вопросов, о которых мы попытались рассказать в этой книге. Когда она создавалась, одна проблема набегала на другую, и было непросто решить, что следует отбросить. Автор стремился как можно полнее реализовать способность человека к наглядному восприятию. Поэтому в книге уравнены в правах зеркало на туалетном столике и строение белковой молекулы, «на равных» обсуждаются хоккей и кристаллические структуры. Порядок величин, с которыми мы встречались, охватывает диапазон, представленный числом с 40 нулями, - от 15-15 см до 10^25 см.

У автора был выбор между научной глубиной и доступностью для самой широкой читательской аудитории. И он с легким сердцем предпочел последнее. Приняв такое решение, автор обнаружил, что он далеко не одинок - многие крупные специалисты придерживались тех же позиций. И если автору казалось, что кто-то до него изложил ту или иную проблему лучше, чем смог бы это сделать он сам, то он считал нечестным по отношению к читателю подсовывать ему худший вариант.

Физик Вернер Гейзенберг (1901-1976), разработав новую теорию строения атомных ядер, писал в 1932 г.:

«Полагают, будто видимая материя состоит из малых единиц, и если ее делить все дальше, то наконец придешь к мельчайшим единицам, которые Демокрит назвал «атомами» и которые теперь стали бы, пожалуй, называть «элементарными частицами», например «протоном» или «электроном». Но возможно, что вся эта философия неверна. Возможно, что вовсе и не было никаких мельчайших структурных единиц, не поддающихся дальнейшему делению. Возможно, что материю можно было бы делить все дальше и дальше...».

СИММЕТРИЧНО ИЛИ НЕТ - ВОТ В ЧЕМ ВОПРОС

После чтения предыдущего раздела может, пожалуй, сложиться впечатление, будто физики и сами не знают, чего они, собственно, хотят. С одной стороны, они постоянно говорят о симметрии, с другой - непрерывно ставят эксперименты, доказывающие ее отсутствие.

Но если отдельные читатели и придут к подобному мнению, то винить в этом следует не физиков, а автора настоящей книги, который, стремясь к сохранению наглядности, слишком сузил отбор материала. Мы занимались в основном вопросами пространственного отражения. В этой области асимметрия возможна в исключительных случаях, как утверждает теория и доказывают эксперименты. В последних разделах наряду с рассказом о пространственном отражении мы сообщили также про обращение зарядов у античастиц.

Но в книге до сих пор умалчивалось о возможности обращения времени. Эта тема не обсуждалась из-за того, что ее нельзя представить в наглядном виде. Мы, далее, не стали заниматься обсуждением различных теорий, касающихся поведения мельчайших частиц, как бы ни были такие теории интересны сами по себе. К примеру, многие теоретики думают, что при делении элементарных частиц осколки от их деления «равноправны» с самими исходными частицами. Пусть те, кому это покажется невероятным, подумают о том, что величина «бесконечность», поделенная пополам или на 1000, или на миллион, все равно, каждый раз будет давать в результате бесконечную величину. Но если - так говорят физики - одновременно произвести операцию пространственного отражения, поменять знаки зарядов частиц и изменить ход времени на обратный, то новая система будет столь же мало отличаться от прежней, как изображение от своего зеркального отражения. И тут уж исключений нет (пока).

На этом наш рассказ о зеркальном отражении и симметрии заканчивается.

Мир симметричен. В нем найдется в принципе зеркальное соответсвие каждому изображению. Лишь в крошечном уголке зеркала есть малюсенькое пятнышко, в котором отражение не происходит.

Так ли это на самом деле и в чем здесь причина, предстоит выяснить и доказать в будущем.

ЛИТЕРАТУРА

Ahrens W. Mathematische Unterhaltungen und Spiele. Leipzig, 1918.

Wallis W. A., Roberts H. V. Methoden der Statistik. Reinbek b. Hamburg: Rowohltl Verlag GmbH, 1975.

Вейль Г. Симметрия. - M.: Наука, 1968.

Wie funktioniert das? Mannheim: Bibliographisches Institut, 1967.

Вульф Г. В. Симметрия и ее проявление в природе. - М.: Изд. отд. Наркомпроса, 1919 (Добавлено редактором перевода).

Гарднер М. Этот правый, левый мир. - М.: Мир, 1967 (Добавлено редактором перевода).

Gilde W., Altrichter S. Seltsames um den gesunden Menschenverstand. 2. Aufl. Leipzig: VEB Fachbuchverlag, 1978.

Grzimek B. Zwanzig Thiere und ein Mensch, Berlin: Henschelverlag Kunst und Gesellschaft, 1975.

Джаффе Г., Орчин М. Симметрия в химии. - М.: Мир, 1967 (Добавлено редактором перевода).

Kleber W. Einfuhrung in die Kristallographie, Berlin: VEB Verlag Technik, 1965.

Kleine Enzyklopadie / Mathematik, Leipzig: VEB Bibliographisches Institut, 1967.

Kleine Enzyklopadie / Technik, Leipzig: VEB Bibliographisches Institut, 1970.

Компанеец А. С. О симметрии. - М.: Знание, 1965 (Добавлено редактором перевода).

Компанеец А. С. Симметрия в микромире. - М.: Знание, 1965 (Добавлено редактором перевода).

Kuhn F. Sehen und Gestalten, Leipzig: VEB E. A. Seemann, Buch- und Kunstverlag, 1951.

Clarke A. C. Unsere Zukunft im Weltall, Frankfurt a.M.: Fischer Taschenbuch Verlag GmbH, 1970.

Кэрролл Льюис. Алиса в Стране Чудес. - М.: Детгиз, 1958 (Добавлено редактором перевода).

Meyner F.Kunstleranatomie.Leipzig: VEB E. A. Seemann, Buch- und Kunstverlag, 1959.

Орир Дж. Популярная физика. - М.: Мир, 1966.

Patzelt О. Wachsen und Bauen.Berlin: VEB Verlag fur Bauwesen, 1972.

Радунская И. Безумные идеи. - М.: Молодая гвардия, 1967 (Добавлено редактором перевода).

Sondheim E. Knoten - Spleissen - Takeln. Bielefeld und Berlin: Verlag Klasing u. Co., 1953.

Томилин А. Занимательно о космогонии. - М.: Молодая гвардия, 1975 (Добавлено редактором перевода).

Урманцев Ю. А. Симметрия природы и природа симметрии. - М.: Мысль, 1974 (Добавлено редактором перевода).

Узоры симметрии. Сб. под редакцией М. Сенешаль и Дж. Флека. - М.: Мир, 1980 (Добавлено редактором перевода).

Foley A. L. College Physics. Philadelphia: The Blakiston Company, 1941. Шафрановский И. И. Симметрия в природе. - Л.: Недра, 1968 (Добавлено редактором перевода).

Шубников А. В. Симметрия (Законы симметрии и их применение в науке, технике и прикладном искусстве). - М.: Изд-во АН СССР, 1940 (Добавлено редактором перевода).

Шубников А. В., Копцик В. А. Симметрия в науке и искусстве. - М.: Наука, 1972 (Добавлено редактором перевода).

Schulte-Frohlinde J. Baukunst zwischen gestern und heute. Dusseldorf: Werner Verlag, 1960.

Schumann H. Metallographie. Leipzig: VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffmdustrie, 1976.

Content

Зеркальный мир

ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

ПРЕДИСЛОВИЕ

ЧЕЛОВЕК - СУЩЕСТВО СИММЕТРИЧНОЕ

КАК ОТРАЖАЕТ ЗЕРКАЛО?

ПЕСТРЫЙ МИР КАЛЕЙДОСКОПА

ПУТЬ К НОБЕЛЕВСКОЙ ПРЕМИИ

ДВУХ ОДИНАКОВЫХ ЯИЦ НЕ БЫВАЕТ

ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ

ЛИТЕРАТУРА