Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества - Пол Стейнхардт

Диаграмма на следующей странице суммирует все то, что нам удалось обнаружить. На графике сопоставляются два свойства, которые мы вычисляли для каждой порошковой дифракционной картины из каталога ICDD. По горизонтальной оси отложено, насколько близки кольца на порошковой дифрактограмме образца к идеальному набору радиусов безупречного икосаэдрического квазикристалла. По вертикальной оси отложено, насколько хорошо соответствуют друг другу их интенсивности.

Два серых квадрата в нижней левой части диаграммы представляют два известных синтетических квазикристалла, которые уже были в каталоге ICDD. Получается, что на деле эти два квадрата настолько близки к совершенству, насколько это возможно. Если бы порошковая дифрактограмма природного минерала имела показатели, близкие к этим квадратам, резонно было бы ожидать, что это квазикристалл, каждое зерно которого дает точечную дифракционную картину.

Точки на диаграмме представляют результаты, полученные для более чем девяти тысяч минералов и оказавшиеся слишком далеко от серых квадратов, чтобы считать эти образцы многообещающими кандидатами. Кружки представляют минералы, порошковые дифракционные картины которых попадают ближе всего к квадратам, что наводит на мысль о потенциальных квазикристаллах.

Кружки соответствовали минералам, которые нам с Питером предстояло теперь найти и доставить в нашу принстонскую лабораторию для дальнейшего изучения. Как только образец поступал, его нарезали на тонкие слои и изучали под электронным микроскопом, чтобы определить, является ли он истинным квазикристаллом.

Когда подошел к концу последний год обучения Питера в Принстоне, он представил результаты своего труда в качестве дипломной работы. По традиции группа сотрудников факультета устраивает “прожарку” выпускников, дотошно расспрашивая их, чтобы проверить степень знакомства с предметом. Однако Питер решил немного пошутить и сам вызвался одним из тех, кто будет жарить. В буквальном смысле.

Часть времени формальной защиты своего дипломного проекта Питер посвятил тому, чтобы развлекать присутствующих приготовлением стейка с кровью на специальной сковороде с покрытием из квазикристаллического металла. Использование синтетических квазикристаллов в качестве антипригарного покрытия было одним из первых коммерческих применений новой формы вещества. Это покрытие было придумано и запатентовано французским исследователем квазикристаллов Жаном-Мари Дюбуа с коллегами. Французский производитель продавал такие сковородки под торговой маркой Cybernox.

Квазикристаллическая поверхность была скользкой, как популярное тефлоновое антипригарное покрытие, но гораздо более прочной. Питер смог обжарить свой стейк без использования масла, демонстрируя, что к квазикристаллической поверхности ничего не прилипает. Он завершил демонстрацию, нарезав стейк острым ножом прямо на сковороде, чего никто не стал бы делать на тефлоновом покрытии. Питер показал, что на поверхности не возникло никаких повреждений из-за твердости квазикристаллического материала. А вот о ноже для стейка сказать то же самое было нельзя – на поверхности сковороды остались заметные куски металлической стружки.

Питер также представил подробности нашего поиска по каталогу ICDD. Он объяснил разработанный нами алгоритм поиска и рассказал о кандидатах, свойства которых нам удалось изучить. Природного квазикристалла найти не удалось. Но сами попытки собрать и протестировать нужные минералы оказались серией приключений с массой забавных накладок.

Например, спустя несколько месяцев напряженной работы мы наконец сумели добыть образец одного из наших лучших кандидатов. Размером он был всего несколько дюймов. Однако для исследования под электронным микроскопом нужен был шлиф толщиной меньше человеческого волоса.

Процедура нарезки требовала специального оборудования, которого в Принстоне не было. Поэтому мы договорились отправить образец в лабораторию Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA). Мы ожидали получить из лаборатории тонкий срез вместе с оставшейся частью образца. Если бы на этом шлифе нам удалось найти квазикристалл, остальная часть образца была бы чрезвычайно ценна для дальнейших исследований и в итоге стала бы важнейшим экспонатом в музее.

Но когда из UCLA пришел пакет и я открыл коробку, в ней обнаружился только один сверхтонкий шлиф. Что же случилось с остальной частью редкого образца, который мы с таким трудом добыли?

Я бросился звонить в UCLA, чтобы выяснить, когда они вышлют нам остаток образца. В итоге я дозвонился до техника, который занимался нашим заказом, и он жизнерадостно сообщил: “А мы думали, что вам нужен только один шлиф, и все остальное выкинули”.

Я был в ужасе. Насколько нам было известно, это мог оказаться единственный в мире образец данного минерала. Если бы мы исследовали срез и обнаружили, что он содержит первый природный квазикристалл, нам пришлось бы жить дальше с осознанием того, что 99,99 % редкого материала было выброшено в мусорное ведро. Следующие несколько часов мы нервно ждали, пока Яо Нань проверит тончайший шлиф. Когда он сообщил, что образец оказался пустышкой, мы с Питером покинули лабораторию со странной смесью разочарования и облегчения.

В итоге все минералы, которые мы выявили, добыли и проверили, тоже оказались бесполезными. Через год после того, как Питер защитил свой проект, мы опубликовали статью о нашем эксперименте в Physical Review Letters, описав алгоритм компьютерного поиска и нашу длинную цепочку неудач.

Мы пришли к выводу, что недостаток нашего подхода состоял в том, что качество данных, собираемых ICDD из различных лабораторий по всему миру, было неодинаковым. В результате наш алгоритм автоматического поиска давал много ложных срабатываний. Мне пришлось принять тот факт, что до обнаружения настоящего природного квазикристалла нам предстоит пережить еще много разочарований.

Питер с отличием окончил Принстон и отправился в Гарвардскую аспирантуру, чтобы изучать совершенно другие темы. Хотя он больше не участвовал в моих поисках природных квазикристаллов, он сохранил живой интерес к красоте квазикристаллических мозаик. Еще в бытность Питера студентом мы с ним иногда говорили о том, что Пенроузу удалось построить квазикристаллическую мозаику, не зная о ее скрытом квазипериодическом порядке. В принципе, предполагали мы, квазипериодические мозаики могли быть непреднамеренно созданы кем-то и до Пенроуза. Перспективным казалось искать их среди исламских мозаик, поскольку многим исламским культурам были присущи глубокие знания в области математики и интерес к геометрическим узорам.

Спустя годы, когда Питеру выпал шанс съездить в отпуск в Бухару (Узбекистан), он нашел там множество примеров периодических узоров, включавших десятиконечные звезды как часть повторяющегося мотива. Это наблюдение по возвращении домой вдохновило его на поиск по каталогам исламских мозаик. Многие мозаики были похожи на те, что он видел в Бухаре, – периодические узоры с правильно расположенными пяти- и десятиконечными звездами. Однако образец, найденный в мавзолее Дарб-и-Имам в Исфахане (Иран), памятнике с надписью, датированной 1453 годом, не поддавался простому описанию (см. рисунок вверху).

Вскоре после этого Питер обратился ко мне за помощью в анализе этой сложной мозаики. Мы преобразовали фотографию в точный геометрический узор, состоящий из трех форм – так называемых плиток гирих, как показано на следующей странице. Проанализировав узор, мы обнаружили, что он почти идеально квазипериодический, за исключением небольшого процента ошибок, которые могли быть связаны с более поздними реставрациями. Мало того, мы выяснили,