Природа Кварца. Происхождение колебаний «резонатора».

Основы

Кварцевые часы технологически намного сложнее механических. Если механические часы можно сделать своими руками, то кварцевые часы в частных условиях изготовить не получится. Всё дело в кварце. 

Copyright Watchschool.ru

Кварц — один из самых распространенных минералов на Земле. Кварц вывел часовую и электронную промышленность на иной уровень. Если проводить сравнение, то Кварц уподобился пшенице и сахарному тростнику, которые распространились по планете, и заняли основной рацион в меню населения планеты. Кварц плотно занял место в часах, смартфонах, электронике. В геологии Земли кварц всегда был в большинстве геологических пород и повсеместно песком на поверхности Земли и на дне. 

В часах используется колебательная система, основанная на пьезоэлектрическом свойстве кварца. Под механическим и электрическим воздействием кварц резонирует.  

Но есть у кристаллов Кварца ещё одно свойство, которое заставит вас взглянуть на Кварц по-новому и с интересом:

Кристаллы Кварца образуются в природе по чёткой программе — формируются либо правосторонними, либо левосторонними. Удивляет совершенно одинаковое количество правых и левых кварцев 50 / 50 % в природе. Один к одному. Это происходит и в диких природных, и в идеальных лабораторных условиях. Если на примере живой природы объяснить симметрию можно генетикой, а равное количество мужского и женского населения объясняется механизмами эволюции, внешними воздействиями и генетикой, то в случае с абсолютно, неживой природой механизм контролирующий возникновение кварца в равной пропорции 50 /50 % правых и левых, до сих пор не выявлен. Редко встречаются кристаллы, в которых присутствуют обе структуры, их называют близнецами.

Научный текст для ученых и разработчиков новых молекулярных материалов. Описывает нахождение кристаллических структур на грани неживой и живой природы, свойство атомов кристаллов поддаваться движению и резонировать, в ответ на внешние воздействия внешней среды. 

Сейчас уже никто не может оспаривать тот факт, что неорганический и органический мир состоит из одних и тех же химических элементов; органическое вещество не является специфической особенностью только нашей планеты, его элементарные формы зафиксированы в различных объектах Солнечной системы и за её пределами (данные с астероидов), поэтому приписывать уникальное значение земной биосфере нет необходимости. Сказанное позволяет сосредоточить внимание на общих особенностях, определяющих единство материального мира. Это единство обусловлено формообразующими процессами, их энергетикой, эволюцией информационных систем, управляющих развитием как в органическом, так и в неорганическом мире; в последнем случае предпочтение следует отдавать твёрдому веществу, выступающему в трёх состояниях: кристаллическом, квазикристаллическом и аморфном; их формы описываются евклидовой геометрией. Все другие его состояния, будучи энергетически возбуждёнными, усложняют понимание законов упаковки атомов элементов в соответствующие структуры, доступные непосредственному наблюдению.

Ещё в конце XVII столетия, опираясь на принципы симметрии, К. Линней обратил внимание на плоские грани и прямые ребра кристаллов, якобы присущие только неорганическому веществу, и на криволинейность форм, свойственных организмам. Однако кривизна форм в неорганическом мире оказалась так же широко распространенной, как и в биологических объектах, а для последних столь же характерны прямолинейные очертания.

Позже в качестве доминантного признака для неорганического вещества было выдвинуто послойное спиралевидное нарастание граней кристаллов; однако вскоре было показано, что он характерен для животных и растений. Затем внимание обращалось на древовидность, в частности растительных организмов, что якобы отличало их от неорганических объектов. Но частота встречаемости этих форм в неорганических предметах подтвердила их типичность и для них.

В качестве специфического признака выдвигались также левизна и правизна, якобы характерные только для неорганических кристаллов, но изучение, в частности, молекул углеводородов показало широкое распространение левых и правых форм и в органической природе.

В. Вернадский отмечал, что «симметрия в живом веществе — более глубокое явление, чем то, которое сказывается в наружной форме организма». Правда, в последующем это положение он считал только кажущимся, хотя на самом деле оно оказалось фундаментальным и заслуживает всестороннего рассмотрения. В чём тут дело?   

Прежде чем ответить на вопрос, обратимся к миру кристаллов. Известно, что все неорганические вещества при переходе из жидкой или газообразной фазы в твёрдую кристаллизуются. Кристаллы группируются в три категории симметрии — низшую, среднюю и высшую, которые включают семь сингоний и 32 вида симметрии.

Низшая категория, представленная триклинной, моноклинной и ромбической сингониями, отличается отсутствием оси симметрии порядка выше второго.

Совокупность осей симметрии — строго закономерные геометрические группировки, определяющиеся внутренней энергией структуры вещества, его решетками; они выводятся по определённым правилам. В многогранниках полный набор элементов симметрии ограничивается центрами симметрии 1, 2, 3, 4, 5 и 6 порядков и соответствующих порядков инверсионных осей. В них к запрещенным относятся оси симметрии пятого и выше шестого порядков.

Совсем ещё недавно считалось, что ячейки с осью «симметрии» пятого порядка и выше шестого оккупированы только органическими объектами. Этот факт пытались иллюстрировать пятерной симметрией «кристаллов» некоторых вирусов, образующих додекаэдры и икосаэдры (некоторые вирусы, вирусы находятся на грани неживой и живой природы, обладают способностью становиться кристаллами, например вирус табачной мозаики). В. Н. Белов даже подчеркивал, что «кристаллографический запрет» пятерной оси, как известно, определяется невозможностью согласовать её (равно как и оси порядка выше шестого) с решеткой. И поэтому можно думать, что пятерная ось является у мелких организмов своеобразным инструментом борьбы за существование, страховкой против окаменения, против кристаллизации, первым шагом которой была бы их «поимка» решёткой. Обращал внимание на этот факт и А. Шубников, писавший: «Мы не можем не отметить здесь тот в высшей степени замечательный факт, что среди представителей живой природы, пожалуй, чаще всего встречаются как раз простейшие из невозможных для затвердевшего, окристаллизованного «мёртвого» вещества виды симметрии (пятерная симметрия)». 

Однако открытие и исследование фуллеренов, которые кристаллизуются в икасоэдрической форме, позволяющей им заполнять пятую клетку «симметрии», неожиданно нарушило эту стройную гармонию разделения неорганического и органического вещества. Дальнейшее исследование сходных с фуллеренами высокомолекулярных соединений показало, что твёрдая фаза неорганического вещества может находиться в трёх состояниях: кристаллическом, квазикристаллическом и аморфном.

Таким образом, если совсем ещё недавно выявление общих законов симметрии для всевозможных материальных форм неорганического и органического вещества как будто бы показало их чёткое разделение по оссиметрическому признаку, то есть характеризовалось отрицательной корреляцией, то теперь стыковка неорганического и органического вещества по тому же признаку имеет скорее положительную корреляцию, наблюдающуюся в 5 клетке сингонийного ряда: здесь и те и другие могут давать одни и те же кристаллографические формы, хотя за 6 симметрий такая корреляция отсутствует. Из этого следует вывод, заключающийся в том, что, вероятно, зарождение и эволюция органических объектов предопределяется ещё не познанными силами; скорее всего, их формообразующая роль проявляется в совершенно определённых космофизических условиях, выявление которых — дело будущего. Однако, в первом приближении, можно утверждать, что появление трёх состояний неорганического твёрдого вещества и органических объектов можно пояснить разными механизмами их образования.

Природу кристаллизации вслед за Р. Фейнманом принято рассматривать с позиций стохастических (вероятностных, беспорядочных) процессов, в которых непрерывно движущиеся атомы, ударяясь друг о друга с частотой 1013 раз в секунду, находя в решётке вакансии с наименьшей энергией, заполняют их. Однако известно, что растущая решётка осуществляет фоновые колебания с той же частотой 10 в 13 степени. Такое совпадение не является случайным. По-видимому, коллективные колебания атомов решётки в кристаллизующейся среде резонируют волну, возбуждающую ту же частоту колебаний ионов или атомов, создающих (или формирующих) тензоры потоков диффузии; ими и обеспечивается послойный рост кристаллов, сохраняющих строго симметричную форму, присущую данному веществу, отвечающую энергии среды, в которой происходит их образование, и элементному составу кристаллизующегося вещества. Поэтому мы можем говорить, что неравновесная система, к которой относится процесс кристаллизации, несомненно, регулируется информационным кодом кристаллов; это позволяет отвергнуть стохастическую (беспорядочную, случайную) модель кристаллов неорганического вещества.   

Более сложно обстоит дело с объяснением процесса зарождения и роста (развития) органических объектов. Как известно, в их основе лежит клетка — живая элементарная система, способная к самостоятельному существованию и редупликации даже в некотором диапазоне термодинамического режима. Для клеток растительных и животных организмов характерны общие признаки в строении и в функциях, что указывает на единство происхождения. Несмотря на это, они способны давать длинный ряд живых осесимметричных организмов — от простейших, клетки которых синтезируют до 1 тысячи разных белков, и до сложнейших (млекопитающие), осуществляющих биосинтез до 10 тысяч разных белков.

На нашей планете объекты живой природы сформировали биосферу, с одной стороны, занимающую внешнее положение по отношению к литосфере, сложенной неорганическим минеральным веществом, а с другой — развивающуюся сопряженно как с литосферой, так и с гидросферой и атмосферой. В биосфере В. Вернадским выделена ноосфера.

Существует достаточно много данных, что бы считать, что образование неживой и живой сфер планеты сливалось в единый процесс, в котором происходило формирование литосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы; поэтому появление живого вещества следует рассматривать как результат бифуркации (последующего разветвления) сложной планетарно-космической напряженной неравновесной системы и кульминацией ее развития и явилось рождение органической материи, в противном случае, мы были бы свидетелями повторных появлений новой жизни на Земле.

Сопряженное развитие всех сфер планеты, а также непрерывность ряда, сформированного по осесимметричному признаку объектами неорганической и органической материи с аналогичным набором составляющих химических элементов, позволяют утверждать, что происхождение органического вещества связано с эволюцией неорганической материи космических объектов.

Эта идея с различных позиций анализировалась и подвергалась экспериментальной проверке многими исследователями, но до сих пор не получила удовлетворительного разрешения. В последнее время некоторые исследователи связывают ее с проблемой изменения симметрии минерального вещества от высших его форм в ядре планеты к низшим — на ее поверхности, где появляются слоистые силикаты. В. В. Доливо-Добровольским, а затем и другими учеными рассматривалась эволюция сингоний (групп подобных кристаллических решеток) по радиусу Земли с количественных позиций, выраженных через число точечных групп, соответствующих голоэдрическому классу данной сингонии; оно имеет следующее распределение (от центра планеты к ее перифирии): кубическая, гексагональная, тетрагональная, тригональная, ромбическая, моноклинная, триклинная.        

В ходе преобразования сингоний (групп кристаллических решеток) на поверхности планеты появляются минералы группы смектитов, относящиеся к моноклинным (трехвекторным a,b,c) слоистым силикатам; среди них важное значение для рассматриваемой проблемы имеют монтмориллониты (глинистые минералы) с общей формулой. Их, в частности М. Д. Нусинов и В. И. Марон рассматривают в качестве возможного реактора, в котором при известных условиях эволюции лито-гидро- и атмосферы как планетарно-космической системы допустима генерация полибиополимеров (естественных биополимеров). Таким образом, в этой модели смектитам (группа минералов подкласса слоистых силикатов) отводится некий рубикон, перешагивая через который, минеральное вещество эволюционирует в органическую материю. Эти преобразования связываются, во-первых, с уникальными термодинамическими условиями, которые должны были только однажды возникать на поверхности планеты в добиологическую стадию ее развития , а во-вторых, с рядом особенностей минералов монтмориллонитовой (глинистых минералов) группы. К их важным свойствам относится слоистое расположение в решетке анионов и катионов, образующих кремнекислородные тетраэдры, между которыми формируются гидраргилитовые прослои; каждый пакет, с обеих сторон отороченный ионами гидроокислов, склонен к абсорбированию воды, в свою очередь образующей слои с упорядоченными молекулами, со сменой температуры приводящие к римичному набуханию или сокращению объема минерала; при этом меняется объем решетки, а величина со  колеблется в широких пределах. Подобные структуры с подобной гидратацией могут обеспечить активный катионный обмен. При некотором количестве магния монтмориллониты обогащаются ионами, приближающими среду к слабокислой, что ведет к дальнейшему усилению процессов, сопровождающихся поляризацией зарядов.

При жестком облучении смектитов возможно протекание автокаталитических реакций, ведущих к образованию оснований нуклеиновых кислот и аминокислот, тогда как каталитические свойства монтмориллонитов (наноглина, глинистый минерал) могли способствовать возникновению «обращенных» мицелл, синтезировавших на поверхности липидоподобные «вещества-углеводороды-и образование вокруг зерен бислойных мембран». 

В основе этого феноменального процесса, как считают указанные исследователи, лежит эволюция информационного кода, претерпевающего изменения при переходе от космической стадии через химическую к биологической. Так появились молекулы ДНК и РНК, обладающие редупликацией и трансляцией, которая в ходе почти четырехмиллиардной истории завершилась образованием ноосферы с населяющим ее видом, обладающим мыслительным аппаратом.       

По оценке разных исследователей, придерживающихся 4,5 миллиардной даты образования земной коры, возникновение каких-то элементарных форм органического вещества на Земле датируется цифрами 4,2-3,6 миллиарда лет. Они относятся к среднему архею, когда уже были изверженные — и, что весьма важно, магнезиальные и осадочные породы. В земной атмосфере существенное значение имели Не3, Н2 , присутствовали HCN, CH4, NH2; она должна было обладать хорошей проницаемостью для жесткой ультрафиолетовой радиации. Именно эти условия, а так же соответствующие температуры и их ритмичные колебания могли обеспечить уникальный автокаталитический процесс — рождение живого вещества со способностью редупликации и трансляции по коду, записанному в ДНК. О возможной роли жесткого облучения в развитии этогопроцесса свидетельствуют многие факты. Укажем лишь один. Например облучение водной суспензии карбоната магния рентгеновскими или гамма-лучами неизменно приводило к образованию формальдегидов, щавеловой, муравьиной и гликолевой кислот.

Однако эта проблема не решает самой сложной проблемы. Дело в том, что допускаемая или даже необходимая сборка молекулы органического вещества путем проб и ошибок потребовала бы только на молекулу ДНК с кодированными записями времени около 102.000.000 секунд, что значительно превосходит самые оптимистичные оценки возраста до сих пор известных науке галактических систем.

Существует еще одно, до сих пор не объясненное явление, которое может служить препятствием к принятию модели автокатализа органического вещества. Установлено, что активность или пассивность, например, нервной клетки в организме животных определяются K-Na ионообменным процессом, сопровождающимся возбуждением электрического поля или, может быть, наоборот: K-Na ионнообменный процесс, детермированный (предопределенный) каким-то кодовым сигналом организма, в начале возбуждающий электрический потенциал, который и активизирует нервную клетку в организме животных. При ее покое K находится в клетке, при возбуждении он уходит через мембрану, а в клетку проникает Na. И в том, и в другом случае энергетический уровень живой клетки определяется двумя щелочными элементами — калием и натрием, а их ионнообменная активность может быть проявлена только в водной среде, что затрудняет автокатализ нуклеиновых кислот, который мог бы возникнуть под влиянием жесткого излучения в смектитах (монтмориллонитах).

Больше того, автокатализ органического вещества еще не создает код редупликации и трансляции — этих фундаментальных свойств живого вещества, так же как не решает этой проблемы и модель М. Эйгена, который, опираясь на дарвиновскую теорию эволюции, ввел конкурентные гиперциклы реакций, якобы способные привести к образованию первичных белков; полученная автором за эту модель, изложенную в работе «Самоорганизация материи и эволюция биологических микромолекул», Нобелевская премия — не столь убедительная причина ее признания. Это в какой-то степени доказывается появлением работы А. Лима-де-Фариа «Эволюция без отбора» с подзаголовочным уточнением «Автоэволюция формы и функции».   

 

С учетом этого, мы должны допустить наличие в природе (в космосе) или изначально запрограммированного процесса перехода неорганического вещества в органическое при каких-то особых термодинамических и автокаталитических условиях, или согласиться с тем, что в галактических системах изначально существуют  элементарные формы вещества, эволюционный процесс которых начинается на тех космических объектах, где возникает благоприятная для этого термодинамическая обстановка. В этом случае в процессе перехода неорганического вещества в органическое должна выступать физическая самосогласованность при инвариантности вступающих во взаимодействие компонентов.

Возвращаясь к проблеме  сопряженности нерганической и живой материи, следует ометить, что она, хотя и несомненно существует, проглядываясь в различиях оссиметрии, но не отличается простотой, а напротив, сложна и во многом не ясна. Для ее симметрии характерна динамическая напряженность, по-видимому меняющаяся с ростом кристаллической решетки. Клетка пятерной «симметрии», в которой образуются как квазикристраллы неорганического вещества, так и простейшие организмы, возникающие в тех же икосфэдрических формах, возможно, является не разделительной границей между тем и другим, как еще недавно считали кристаллографы, а полем сопряжения формообразующих процессов как для неорганического, так и органического вещества.

кварцевый осциллятор, выполняет роль колебательной системы - маятника в часах

Подборка актуальных международных презентаций о принципах работы кварцевого резонатора:

Оцените статью
Часовая школа
Добавить комментарий

T r a n s l a t e
error: Content is protected !!