В тот же 1879 год, когда родился Альберт Эйнштейн, в этот мир пришел еще один будущий физик-теоретик, швед Карл Вильгельм Озеен. Историкам науки Озеен известен своей теорией упругости для жидких кристаллов и заметными работами по гидродинамике. Но наиболее он знаменит, вероятно, чрезвычайной влиятельностью в Нобелевском комитете, выбиравшем лауреатов в области физики. В качестве важного чиновника от науки этому ученому довелось сыграть весьма существенную роль как в биографии Эйнштейна, так и в жизни Вольфганга Паули. Правда, с диаметрально противоположными результатами.

Именно Озеен был тем человеком, кто сумел так предложить кандидатуру Эйнштейна, что ему наконец присудили Нобелевскую премию – за 1921 год. Не как автору «сомнительной» для консерваторов теории относительности, а за объяснение природы фотоэффекта. С другой стороны, тот же Карл Озеен всегда и в самой категоричной форме возражал против любых выдвижений на премию Вольфганга Паули. Причем хорошо известно, что неприязнь двух ученых друг к другу была взаимной.

В самом начале 1930-х годов, когда Нобелевский комитет никак не мог решить, давать ли премии пионерам квантовой механики Гейзенбергу и Шредингеру, острый на язык Паули объяснил это тем, что в Швеции просто нет физиков-теоретиков, способных понять важность сделанных открытий. Подобная колкость, скорее всего, не могла не задеть Озеена, который на всю оставшуюся жизнь стал крайне пренебрежительно отзываться о вкладе самого Паули в квантовую механику, называя его работы «метафизикой». Так что в итоге удостоить ученого давно заслуженной им награды стало возможным лишь после смерти Озеена в 1944 году. И дабы этот странный треугольник замкнулся красиво, Нобелевская премия за 1945 год в области физики была присуждена Вольфгангу Паули по представлению Альберта Эйнштейна.

Применять к истории науки сослагательное наклонение – дело, как известно, довольно безнадежное, да и ни к чему по сути не ведущее. Кроме, разве что, сюжетов для фантастических историй на тему вроде такой: «Что стало бы с наукой, испытывай Паули и Озеен друг к другу примерно такие же симпатию и интерес, какие были у них, скажем, к Эйнштейну». Принципиально важными для развития этой фантазии представляются два момента. Во-первых, Озеен был весьма продвинутым и знающим специалистом в теории гидродинамики – той области, где Эйнштейн и Паули, были, мягко говоря, совсем не сильны. А во-вторых, Озеен глубоко и весьма плодотворно изучал физику жидких кристаллов примерно за 30-40 лет до того, как важность этих необычных веществ будет, наконец, понята всеми. Иначе говоря, если бы ученые масштаба Эйнштейна и Паули заинтересовались физикой жидких кристаллов в начале 1930-х, примерно тогда же, когда и Озеен, история физики XX века могла бы выглядеть заметно иначе.

*

Чрезвычайно важным узлом в контексте этой фантазии оказывается год 1888. Для одних эта дата памятна знаменитыми опытами Генриха Герца, который впервые сумел наглядно и убедительно продемонстрировать предсказанные теорией электромагнитные волны – построив аппарат для приема и передачи волновых радиосигналов. Для кого-то еще – это год, в который Джордж Истман зарегистрировал торговую марку Kodak и защитил патентом свою фотокамеру на основе рулона пленки. Благодаря удобствам таких аппаратов фотография стала быстро превращаться из узкопрофессионального занятия в популярное массовое хобби. Но мало кто ныне вспоминает, что в этот же год австрийским ботаником и химиком Фридрихом Райнитцером было открыто новое, жидко-кристаллическое состояние вещества. В отличие от беспроводной связи и фотографии, жидким кристаллам пришлось ожидать должного к себе внимания еще почти 80 лет. Оставаясь все эти годы хотя и занятным, но бесполезным на практике разделом науки, интересным лишь для энтузиастов-одиночек и ценителей необычного.

Эта ситуация переменилась, причем весьма резко, лишь к середине 1960-х, когда вместе с бурным развитием микроэлектроники и общей миниатюризацией аппаратуры остро потребовались средства отображения информации, потребляющие как можно меньше энергии. Вот тут-то и вспомнили о жидких кристаллах, найдя применение их, как теперь выяснилось, чрезвычайно полезным физическим особенностям – быстро изменять оптические свойства при совсем небольших приложениях энергии. Целый букет важных исследований и результатов мощно переместил жидкие кристаллы в фокус массового научного интереса, а вскоре и интенсивной промышленной разработки направления. Ну а самоочевидный факт, что рассвет эпохи жидких кристаллов пришелся в точности на те же годы, что и ключевые открытия в области практической голографии, т.е. десятилетие в интервале 1963-1973 годов, если кем-то и был замечен, то лишь в качестве случайного совпадения.

Однако при желании в этом примечательном совпадении можно углядеть и весьма неслучайные черты. Для чего понадобиться вернуться на 80 лет назад, к уже известным событиям в истории науки и техники, происходившим на рубеже 1880-1890 годов. И дабы картина соответствий проявилась более выпукло, можно непосредственно наложить открытия того периода на открытия 1960-х. По такой примерно схеме. (1a) Генрих Герц успешно применяет гипотетические в ту пору электромагнитные волны для практической радиосвязи. (1b) Лейт и Упатниекс с успехом используют идеи радиолокации, работающей на основе волновой природы «герцевых» радиосигналов, для создания оптической голограммы при помощи когерентных волн лазера.

Далее примерно в таком же духе. (2а) Пионер фотографии Истман создает удобную камеру Kodak с рулоном покрытой фотоэмульсией пленки – для съемки множества кадров без смены носителя-фотопластинки. (2b) Исследователь фототехнической фирмы Polaroid ван Херден разрабатывает фундамент для применения 3-мерных объемных сред – кристаллов, толстых эмульсий – в качестве голографической памяти для более продвинутых и емких систем хранения информации, в одном объеме содержащих множество снимков. Еще одна, третья, очень важная параллель. (3a) Габриэль Липпман изобретает оригинальный метод цветной фотографии, регистрирующий в толстой эмульсии интерференцию световых волн и не требующий цветных фотоматериалов. (3b) Юрий Денисюк на основе метода Липпмана изобретает собственную технологию цветной голографии – без какой-либо опоры на более раннее, но неизвестное ему изобретение Денниса Габора.

**

Ну и, наконец, жидкие кристаллы. (4a) Ф. Райнитцер, исследуя производные холестерина – кристаллы холестерилбензоата и холестерилацетата – обнаружил у них при разогреве два разных жидких состояния. Одно, более горячее, в виде обычной прозрачной жидкости, а другое – промежуточное – в виде жидкости мутно-белой, т.е. необычно сильно рассеивающей свет. Кристаллограф Отто Леман, по просьбе Райнитцера исследовавший эту странную фазу жидкости, обнаружил в ней характерные свойства упорядоченных кристаллов, вроде анизотропии и способности к поляризации света, поэтому назвал вещество в таком состоянии жидким кристаллом. (4b) Богатые способности молекул ЖК по-разному отражать и пропускать свет под действием электромагнитных, химических, тепловых и других воздействий по достоинству были оценены лишь 80 лет спустя. На их основе ученые создали принципиально новые индикаторы и дисплеи для отображения информации.

Логика приведенной здесь схемы соответствий станет более понятна, если вспомнить, что очень перспективная по многим параметрам голографическая память за долгие годы развития так и не смогла получить широкого распространения. Главным образом, из-за отсутствия подходящего материала в качестве носителя для хранения голограмм. Ученые-исследователи, перепробовав в качестве кандидатов самые разные вещества, пока так и не сумели найти оптимальное. Но при этом по самым разным причинам то и дело вынуждены возвращаться к жидким кристаллам, находящим широкое применение не только как средство отображения, но и как средство хранения информации. Иначе говоря, ЖК оказались одним из наиболее интересных для голографических экспериментов материалов. А это не может не наводить на мысль о какой-то очень глубокой и пока еще не до конца понятой связи между этими вещами.

Среди огромного, исчисляемого уже сотнями тысяч, числа разных жидких кристаллов, известных современной науке, наибольший интерес – здесь, во всяком случае – представляет так называемый холестерический тип, открытый в самых первых опытах Райнитцера. Название мало о чем говорящее, поскольку просто пошло от производных холестерина, в которых жидкокристаллическая фаза была обнаружена. Куда более содержательным оказывается другое название «хиральная фаза». Указывающая как на то, что вещество в этом состоянии демонстрирует право-лево-рукую асимметрию в свойствах, так и на то, что порождается оно только хиральными молекулами, имеющими правую и левую формы.

Главная особенность хиральных ЖК — это образование в их слоистой структуре так называемой холестерической спирали, т.е. винтовой структуры в повороте слоев с шагом спирали порядка 300 нанометров, что примерно соответствует длинам волн видимого света. Такая молекулярная структура обеспечивает уникальные оптические свойства. Хиральный ЖК действует на свет как естественный интерференционный фильтр, т.е. падающие световые лучи испытывают избирательное отражение в зависимости от длины волны. При этом шаг винтовой спирали сильно зависит от внешних воздействий. При изменении, к примеру, температуры или электрического поля, меняется расстояние между молекулярными слоями, соответственно изменяется длина волны максимального рассеяния, т.е. цвет вещества. Кроме того, селективно рассеивающее свет состояние может долго сохраняться и после снятия поля, а это означает, что холестерики подходят для создания ячеек памяти.

***

Еще одна чрезвычайно важная особенность жидких кристаллов, много обсуждаемая исследующими их учеными, но пока так и не попавшая в учебники – это тесная связь ЖК с биологией. Основным компонентом живых организмов является вода, а упорядоченные органические растворы – это и есть жидкие кристаллы. Функционирование клеточных мембран и молекул ДНК, передача нервных импульсов и работа мышц, жизнь вирусов и вырабатываемая пауком паутина – все это процессы, с точки зрения физики протекающие в жидкокристаллической фазе. Со всеми присущими этой фазе особенностями – склонностью к самоорганизации при сохранении высокой молекулярной подвижности.

Особого интереса заслуживают такие формы жидкого кристалла, как биологические мембраны и клеточные мембраны. Образующие их молекулы, фосфолипиды, расположены перпендикулярно к поверхности мембраны, при этом сама мембрана демонстрирует упругое поведение и допускает эластичные растяжения или сжатия. Молекулы, образующие мембрану, могут легко перемешиваться, однако имеют тенденцию не покидать мембрану из-за высоких энергозатрат на такого рода процессы. Но при этом липидные молекулы могут регулярно перескакивать с одной стороны мембраны на другую.

В этом кратком описании структуры и физики биологической мембраны довольно сложно не увидеть очевидное сходство с конструируемой здесь физикой космоса как мембраны. Иначе говоря, структура и работа самой мельчайшей живой единицы – биологической клетки – в общих чертах словно воспроизводит жизнь вселенной. С одной стороны, это само собой наводит на мысль, что и вселенная может быть единым живым организмом на основе жидких кристаллов. А с другой стороны – здесь перед нами, возможно, предстает своеобразная иллюстрация «голографического принципа», когда даже самый мелкий фрагмент целого, биоклетка, отражает суть этого целого, то есть мироздания.

Впрочем, к столь глобальным обобщениям переходить пока рановато. Но важно подчеркнуть глубокие связи общего характера между жидкими кристаллами и голографией. И заодно отметить явное проявление этих связей – в прогрессе технологий компьютерно генерируемой голографии, а точнее, в создании голографических дисплеев на основе жидких кристаллов. Эта задача по сию пору представляет гигантскую техническую проблему, поскольку идеальный дисплей для отображения голограмм, динамически генерируемых компьютером, должен состоять из пикселей с размерами меньше длины световой волны. И при этом пиксели должны допускать настройку фазы и яркости сигнала. Подобного рода дисплеи принято именовать оптикой с фазированной решеткой, однако для практического воплощения красивой идеи нынешний уровень нанотехнологий пока недостаточен.