Атомная бомба создала кристалл, который невозможно воспроизвести химическим путем

В 5:29 утра в понедельник 1945 года 30-метровая стальная башня в пустыне Нью-Мексико просто перестала существовать. На ее месте возник огненный шар, температура которого была выше, чем на поверхности Солнца, ударная волна, расколовшая землю, и беззвучная, пугающая трансформация ландшафта. Когда над пустыней Хорнада-дель-Муэрто поднялось грибовидное облако, жар, достигавший десятков миллионов градусов, сделал с землей нечто неожиданное. Он поглотил песок, медные провода связи и остатки стальных строительных лесов, сплавив их в радиоактивное стекловидное вещество, которое мы теперь называем тринититом.

Пустыня, превратившаяся в стекло

Чтобы понять редкость этого открытия, нужно взглянуть на ингредиенты испытания «Тринити». Большая часть тринитита, найденного на месте взрыва, имеет бледно-зеленоватый оттенок и почти полностью состоит из силикатного песка пустыни. Красная разновидность — это совсем другое дело. Это химический отпечаток того момента, когда взрыв «схватил» созданные человеком конструкции. Красный оттенок возник из испарившейся меди проводов, тянувшихся от башни к записывающим приборам, в смеси с железом самой башни.

Эта смесь подверглась давлению и температурам, которые практически невозможно воспроизвести в контролируемых лабораторных условиях. Речь идет о пяти-восьми гигапаскалях давления и температурах, превышающих 1500 градусов по Цельсию. В тот краткий, разрушительный промежуток времени атомы песка и медных проводов были принудительно переведены в конфигурацию, нарушающую основные постулаты кристаллографии. Они не просто расплавились и застыли вновь; они реорганизовались в структуру, которую никогда ранее не видели на Земле, за исключением нескольких редких метеоритов.

Полученный кристалл обладает 20-гранной симметрией — икосаэдрической. В стандартной химии кристаллы подобны плитке в ванной; они следуют повторяющемуся, периодическому паттерну. Вы можете сдвинуть узор по полу, и он всегда совпадет. Квазикристаллы так не делают. У них упорядоченная структура, но она никогда не повторяется. Это математический эквивалент мозаики, покрывающей бесконечный пол без единого повторения последовательности.

Запрещенная геометрия пятикратной симметрии

На протяжении большей части XX века идея квазикристалла считалась научной ересью. Согласно законам геометрии, управлявшим физикой на протяжении сотен лет, кристаллы могли обладать только двух-, трех-, четырех- или шестикратной симметрией. Пятикратная симметрия — та, что встречается в пятиугольнике или футбольном мяче, — считалась физически невозможной для твердого материала, поскольку такие фигуры не могут плотно прилегать друг к другу без образования зазоров.

Квазикристалл «Тринити» представляет собой специфическую композицию кремния, меди, кальция и железа. Это сочетание элементов, которое не существует в такой конфигурации больше нигде в природном мире. Хотя сегодня мы можем выращивать некоторые квазикристаллы в узкоспециализированных лабораториях, мы не можем легко синтезировать точную копию того, что было найдено в песках Нью-Мексико. Огромная мощь ядерного взрыва позволила «срезать путь» через законы термодинамики, заставив материю принять состояние, которое мы до сих пор пытаемся понять.

Почему лабораторные техники не могут воспроизвести ядерный взрыв

Определение «далеко за пределами традиционного синтеза» — это не просто преувеличение. Оно указывает на пробел в наших текущих производственных возможностях. Мы можем создать высокую температуру, мы можем создать давление, но воспроизведение специфического, мимолетного взаимодействия испарившихся медных проводов и расплавленного песка в условиях взрыва, близких к вакууму, — это колоссальная инженерная задача. Испытание «Тринити» было, в мрачном смысле, масштабным случайным химическим экспериментом, который мы не смогли повторить.

Это создает интригующее напряжение в материаловедении. Если мы не можем создать это в лаборатории, но оно существует в пустыне, какие еще материалы мы упускаем просто потому, что не подвергли материю достаточному «травмирующему» воздействию? В настоящее время нас ограничивают наши инструменты, в то время как Вселенная — и наше самое разрушительное оружие — оперирует гораздо более широкой палитрой физических явлений.

Новый инструментарий для ядерных детективов

Хотя это открытие является победой для теоретической физики, оно имеет гораздо более практическое и, возможно, более зловещее применение: ядерную криминалистику. Когда страна проводит необъявленные ядерные испытания, она часто пытается скрыть улики под землей или в отдаленных районах. Однако оставшиеся обломки — расплавленная земля и испарившаяся инфраструктура — содержат постоянную запись взрыва.

Это особенно актуально сейчас, когда мир вступает в новую эру ядерной напряженности. Традиционные методы обнаружения испытаний, такие как сейсмический мониторинг или поиск радиоактивных газов вроде ксенона, иногда можно обмануть или замаскировать. Но невозможно замаскировать фундаментальную реорганизацию атомов в почве. Если найден квазикристалл, подобный тому, что был обнаружен на полигоне «Тринити», никакие природные процессы — за исключением падения крупного метеорита — не смогут этого объяснить.

Отголоски умирающей звезды в песчинке из Нью-Мексико

Единственное другое место, где мы нашли природные квазикристаллы, — это метеорит Хатырка, фрагмент космического камня, найденный на Дальнем Востоке России. Этот метеорит датируется ранним периодом формирования Солнечной системы и, вероятно, пережил мощное столкновение в космосе, создавшее такие же условия ударного сжатия, как и на месте испытания «Тринити». Тот факт, что одни и те же структуры появляются как в камне возрастом 4,5 миллиарда лет, так и на месте взрыва 79-летней давности, — это пугающее напоминание о масштабах энергии, с которыми мы имеем дело.

Во многом квазикристалл «Тринити» — это мост между космическим и рукотворным. Он показывает, что, взорвав первую атомную бомбу, мы не просто создали новое оружие; мы прикоснулись к той же физике высоких энергий, которая формировала планеты и звезды. Мы на долю секунды воссоздали условия небесного столкновения тихим утром в Нью-Мексико.