Вернер Гильде - Зеркальный мир

• Название: Зеркальный мир
• Автор: Вернер Гильде
• Издательство: МИР
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1982

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.

---

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.