Стекло — это жидкость?

В девяносто четвёртом году в Лос-Анджелесе произошло мощное землетрясение — погибло пятьдесят семь человек и больше пяти тысяч пострадало. По разным оценкам ущерб превысил двадцать миллиардов долларов. Такие случаи заставляют задуматься — насколько твердая почва у нас под ногами? И что вообще такое “быть твёрдым”? 

На первый взгляд дёготь кажется твёрдым. Но на самом деле это жидкость, просто очень вязкая при комнатной температуре. Вязкость — это мера сопротивления текучести, вязкую жидкость мы часто называем “густой”. 

У оливкового масла вязкость почти в сто раз больше, чем у воды, а у мёда — в сто раз больше, чем у масла. Дёготь, в свою очередь, в двести тридцать миллиардов раз более вязкий, чем вода. Кстати, в университете Квинсленд в Австралии с его помощью уже много десятилетий проводится самый долгий в мире лабораторный эксперимент.. 

В тысяча девятьсот двадцать седьмом году деготь поместили в сосуд, из которого с тех пор,… почти за девяносто лет упало всего девять капель — примерно одна в десять лет — и еще никому не удавалось увидеть сам момент падения. Однажды в тысяча девятьсот восемьдесят восьмом руководившему в то время экспериментом Джону Мэйнстоуну это практически удалось — но вот незадача: он не вовремя вышел из кабинета — заварить себе чай. 

За экспериментом можно следить онлайн — ссылка в описании — но поскольку предыдущая капля упала в две тысячи четырнадцатом, вам придётся подождать.

Возможно, вы слышали и о другом очень вязком веществе — это стекло. Если присмотреться, в старых храмах цветное стекло утолщается ближе к основанию, а всё потому, что в течение веков оно медленно стекает вниз… 

Вообще-то нет. Это ошибка. Мы смотрели в старые телескопы, в которых оптика крайне чувствительна к малейшим дефектам в линзах, но при этом они до сих пор отлично работают! К тому же, изучение витражей вековой давности не выявило никаких признаков текучести. Всё дело в том, что сделать стекло равномерной толщины — очень трудно, и тогда, тысячи лет назад, их приходилось устанавливать утолщённой стороной вниз. 

И кстати, у свинца вязкость меньше, чем у стекла, так что, если бы стекло было жидкостью, свинцовые рамки уже давно бы превратились в лужу. Особенность стекла — в его аморфности, это значит, что молекулы кремния в нём расположены не как в обычной кристаллической решётке, а просто вперемешку — всё потому, что в процессе производства стекло очень быстро остывает, в результате чего молекулы не успевают образовать типичную кристаллическую структуру.

Но кроме этого, твёрдое тело от жидкого отличает ещё и сильная химическая связь между атомами и молекулами, которая удерживает их на месте. В воде, дёгте и масле молекулы перемещаются относительно друг друга при комнатной температуре, а в стекле — нет. 

Что же насчёт самой Земли? Под слоем коры находится мантия, с которой связано движение тектонических плит и землетрясения. Но вот вопрос — мантия твёрдая или жидкая? Мы не можем изучать её напрямую, однако когда что-то вырывается из под земли, мы видим красный расплавленный камень — то есть лаву. Можно было бы предположить, что мантия тоже состоит из этой магмы — горячего текучего камня — что логично, ведь чтобы  вытекать, она должна быть жидкой, верно? 

Вообще-то,.. нет. Мантия — это твёрдая оболочка, которая, из-за давления несмотря на температуру, не превращается в жидкость. Мы знаем это, так как поперечные волны от землетрясений проходят через мантию — а проникать сквозь жидкую среду они не могут —  например, сквозь жидкое внешнее ядро Земли. Жидкость в ответ на толчок или вытеснение растекается, в результате мы видим тень от жидкого внешнего ядра, когда измеряем силу сейсмических волн на другой стороне планеты. 

Но почему тогда мантия подвижна? Всё дело в несовершенстве строения кристаллов. В разных местах решётки всегда находятся пустоты, и под высоким давлением соседние атомы иногда перескакивают на пустующее место. С точки зрения человека, каких-то последствий от этого придется ждать очень долго,.. но с точки зрения геологии — эффект моментальный.

Вязкость мантии на несколько порядков выше, чем у стекла. Так что жидкостью её вряд ли можно назвать, ну, разве что в масштабах геологического времени.

Дёготь, являясь жидкостью, настолько вязкий, что выглядит как твёрдое тело, и в то же время мантия Земли, на самом деле твёрдая, но ведёт себя как жидкость — если подождать подольше. Как сказал известный американский геолог Гров Карл Гилберт: “Для меня эта сложность представляется совершенно надуманной. Жёсткость и пластичность — не абсолютные свойства, а относительные, и все твёрдые тела — одновременно и жёсткие и пластичные… Когда речь идёт о больших массах и силах… это различие не имеет значения”.

Очень важно помнить, что подобные определения не высечены в камне. Иначе есть риск увязнуть в недопонимании и ошибках, например о том, что Земля изнутри — это гигантский шар магмы. Было бы здорово, если наши суждения о жидком и твёрдом были несколько менее… жёсткими.