Вечерами в мангровых зарослях приливных рек Малайзии собираются десятки тысяч светлячков и мерцают в унисон. При этом в их среде нет лидера или внешнего источника, задающего ритм. Биение наших сердец происходит благодаря скоординированному срабатыванию тысяч клеток, день за днем и год за годом. Гравитационный синхронизм в Солнечной системе может приводить к выбрасыванию гигантских валунов из пояса астероидов в направлении Земли: возможно, падение одного из таких метеоритов погубило динозавров. Даже молниеносное появление модных увлечений в обществе — звено той же цепочки.
Окружающие нас структуры — от галактик и экосистем до клеток и электронов — каким-то образом способны самоорганизовываться. Математик мирового уровня Стивен Строгац представил свое обширное исследование сверхъестественного стремления природы к синхронизму в недавно вышедшей в издательстве «МИФ» книге «Ритм Вселенной». Попробуем с его помощью заглянуть на самый секретный уровень мироздания и узнать, как в микромире из хаоса спонтанно возникает порядок.
Электроны и сопротивление
Соедините два полюса батареи медной проволокой — и созданная электрическая цепь начнет нагреваться. На микроуровне триллионы электронов движутся сквозь вибрирующие (чем выше температура, тем сильнее) атомы меди и сталкиваются с ними. Это сопротивление рождает еще большее количество тепла. Такова вкратце модель электрической проводимости, известная еще с начала ХХ века.
Согласно этой модели, сопротивление металла должно уменьшаться по мере снижения температуры. Физики заинтересовались: что произойдет с электрической проводимостью при абсолютном нуле, когда движение атомов полностью прекращается? Одни ученые считали, что сопротивление должно исчезнуть, другие утверждали, что сопротивление будет снижаться, но никогда не исчезнет полностью по причине наличия в реальной пространственной решетке всевозможных примесей и дефектов.
Как только голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес придумал способ сжижения гелия (что позволило охлаждать объекты до 269 °С, то есть всего на 4 градуса выше абсолютного нуля), оказалось, что обе версии были несостоятельными. Да, при снижении температуры сопротивление постепенно уменьшалось, но на определенной отметке (4,2 градуса выше абсолютного нуля) резко «обнулялось».
Еще раз: сопротивление не снижалось постепенно до нуля — оно отвесно обрушивалось до нуля за какую-то долю градуса.
Так было открыто явление сверхпроводимости. Невозможного — с точки зрения классической физики. Материал, который проводит электричество без какого-либо сопротивления, представляется столь же безумной концепцией, как пресловутый вечный двигатель. Но, каким бы неправдоподобным это ни казалось, сопротивление в состоянии сверхпроводимости не просто близко к нулю: оно в точности равняется нулю. Несколько десятилетий ученые не могли найти этому объяснения. В традиционной модели что-то было «не так».
Сверхпроводимость
Сегодня мы понимаем, что сверхпроводимость — это не что иное, как вторжение квантовой механики в наш повседневный, макроскопический мир. В этом заключается намек на то, что странность, скрывавшаяся где-то в подвале, уже поднимается по лестнице на поверхность. Оказалось, что ключом к разгадке сверхпроводимости является выдающаяся способность электронов объединяться в пары и двигаться синхронно.
Как вообще возможно такое «сотрудничество электронов»?
Все квантовые частицы можно классифицировать, разделив их на «фермионы» и «бозоны». Фермионы — это «кирпичики», из которых складывается вещество (электрон, нейтрино, протон с нейтроном и др.), а бозоны, как правило, — кванты связывающих их полей (глюоны, фотон, квант гравитационного поля гравитон, многие типы мезонов).
Фермионы являются отшельниками: два фермиона никогда не могут одновременно пребывать в одном и том же квантовом состоянии. У бозонов противоположный характер. У них очень сильны стадные инстинкты. Сколь угодно большое их число может одновременно пребывать в одном и том же квантовом состоянии. Вообще говоря, они предпочитают находиться в обществе себе подобных: чем больше бозонов находится в каком-то определенном состоянии, тем привлекательнее это состояние для других бозонов. Они являются закоренелыми конформистами, «компанейскими ребятами».
Им нравится петь хором.
Математические выкладки Эйнштейна предсказали нечто потрясающее: если бозоны заморозить до достаточно низкой температуры, они могут проявлять своего рода взаимную квантовую симпатию: все они будут действовать как один — в буквальном смысле. В этом случае частицы утратят свою идентичность и превратятся в нечто неописуемое: ни твердое тело, ни жидкость — одним словом, какой-то новый вид материи.
Спустя 71 год после формулирования Эйнштейном этой математической концепции ее удалось воплотить. В 1995 году с помощью магнитных полей, охлаждения испарением и лазеров ученые охладили разреженный газ атомов рубидия до менее чем миллионной доли градуса выше абсолютного нуля — температуры, которая вызывает благоговейный ужас даже у специалистов по низким температурам. В этих экстремальных условиях — которые, вполне возможно, ранее не достигались нигде во Вселенной — они наблюдали, как тысячи атомов ведут себя как один. Это экзотическое состояние материи известно в наше время как бозе-эйнштейновская конденсация.
Образование пар электронов
Электроны, будучи фермионами, не столь общительны по своей природе, как бозоны. Феномен сверхпроводимости базируется на тонком механизме, который побуждает электроны объединяться в пары, после чего они становятся бозонами и утрачивают все свое взаимное неприятие. Эти спаренные электроны самопроизвольно образуют бозе-эйнштейновский конденсат, некую синхронизированную совокупность, которая не встречает никакого сопротивления при переносе электрического тока через металл. Чтобы прийти к такому объяснению, понадобилось немало времени — свыше полувека исследований в области квантовой теории.
Механизм образования пар электронов действует косвенно. Когда электрон движется сквозь пространственную решетку, он несколько притягивает ее к себе (вследствие своего отрицательного заряда). Эта деформация создает в пространстве некую область с крошечным избытком положительного заряда, которая притягивает к себе второй электрон. В результате два электрона оказываются связаны между собой таким вот косвенным образом.
Можно использовать такую аналогию: представьте себе эффект создания тяги, используемый велогонщиками во время соревнований на велотреке. Ведущий велогонщик рассекает воздух, и за его спиной образуется область пониженного давления, которая увлекает второго (ведомого) велогонщика, движущегося в кильватере ведущего. Неточность данной аналогии заключается в том, что спаренные электроны в сверхпроводнике отстоят друг от друга достаточно далеко: второй электрон не движется в кильватере первого. В этом отношении спаренные электроны больше напоминают пару подростков, которые танцуют, не прижавшись друг к другу, а на значительном расстоянии друг от друга: они совершают синхронные движения, находясь на противоположных концах танцплощадки. Несмотря на то что между этими двумя танцорами может находиться несколько других танцоров, никто не сомневается в том, что эта пара танцует вместе.
Важность образования таких пар заключается в том, что оно изменяет готовность электронов к «братанию». Отдельно взятый электрон является фермионом, закоренелым одиночкой. Но два электрона, после того как они образовали пару, по сути, становятся похожи на бозоны. Это следует из квантовой теории, которая показывает, что разница между фермионами и бозонами подобна разнице между нечетными и четными числами: образование пары из двух фермионов порождает бозон; точно так же сложение двух нечетных чисел дает четное число. После того как электроны объединятся в эти так называемые пары Купера, у них возникает непреодолимое желание общаться с другими бозонами. Это желание столь сильно, что все они переходят в одно и то же квантовое состояние — состояние наименьшей энергии. Затем все они утрачивают свою идентичность и объединяются в бозе-эйнштейновский конденсат. Возвращаясь к метафоре с танцами подростков, можно сказать, что вся эта толпа сейчас синхронно исполняет что-то вроде танца в стиле кантри, когда танцующие выстраиваются в ряд и синхронно совершают те или иные движения.
От Нобелевки к телепатии
В 1962 г. Брайан Джозефсон был 22-летним аспирантом Кембриджского университета. Его интересовало, что произойдет, если два сверхпроводника соединить между собой посредством тонкого слоя оксида. Джозефсон с трудом верил тому, о чем говорили его уравнения. А они говорили о том, что электрический ток может проходить через слой оксида, не встречая сопротивления. Согласно классической физике, так не должно было быть. Оксид является изолятором. Он полностью блокирует прохождение электронов, как если бы он создавал на их пути непроходимую кирпичную стену. Тем не менее из математических выкладок Джозефсона следовало, что изолятор способен превратиться в сверхпроводник, то есть шарахнуться из одной крайности в другую. Вместо того чтобы встретить на своем пути некое подобие кирпичной стены, электроны двигались так, словно на их пути не было ни малейших препятствий.
Вместо бесконечно большого сопротивления возникала сверхпроводимость.
Предсказание Джозефсона основывалось на квантовом явлении, известном как туннельный эффект или туннельный переход. Подобно многому в квантовой теории, туннельный переход противоречит здравому смыслу и нашим привычным представлениям об окружающем мире.
На основе сверхпроводящих «бутербродов» Джозефсона были созданы сверхчувствительные приборы SQUID (superconducting quantum interference device — сверхпроводящий квантовый интерферометр). С помощью SQUID можно измерять величины смещения, в тысячу раз меньшие атомного ядра, или магнитное поле, в 100 миллиардов раз более слабое, чем магнитное поле Земли. Сверхпроводящие квантовые интерферометры используются в астрономии для обнаружения сверхслабых излучений от дальних галактик; при неразрушающих испытаниях — для выявления мест скрытой коррозии под алюминиевой обшивкой самолетов; и в геофизике — для обнаружения нефтяных месторождений, залегающих глубоко под землей. С помощью массива из сотен SQUID -датчиков врачи могут точно определить местоположение опухолей в мозгу и аномальные электрические пути, ассоциирующиеся с аритмией сердца и очагами эпилепсии (локализованные источники некоторых типов эпилептических припадков).
Переходы Джозефсона рассматриваются также в качестве возможных компонентов нового поколения суперкомпьютеров. Одной из привлекательных черт таких компонентов является их высокое быстродействие: их коммутацию можно осуществлять на частотах порядка нескольких сотен миллиардов циклов в секунду. Однако, возможно, еще более важным обстоятельством является то, что транзисторы, созданные на основе переходов Джозефсона, вырабатывают в тысячи раз меньше тепла, чем обычные полупроводниковые приборы, а это означает возможность еще более плотной упаковки таких транзисторов в микросхеме без риска ее перегрева и выхода из строя. Плотная упаковка желательна в любом случае, поскольку более компактные компьютеры работают быстрее. Используя меньше проводов, они в меньшей степени зависят от скорости распространения сигнала по проводам, ограниченной скоростью света, что в конечном счете определяет время, которое требуется сигналу, чтобы добраться из одной части электрической цепи в другую ее часть.
По иронии судьбы, сам Джозефсон не принимал практически никакого участия в разработках, которые проистекали из его научного открытия. После того как в 1973 году он получил в возрасте 33 лет Нобелевскую премию, он прекратил заниматься магистральными направлениями в физике и переключился на изучение паранормальных явлений, экстрасенсорного восприятия, дистанционного наблюдения и даже возможности сгибания металлических ложек силой психической энергии. Он продолжает по сей день работать над этими вопросами, полагая, что они заслуживают гораздо большего внимания со стороны науки и не должны «заноситься в черные списки», как, по его мнению, происходит сегодня.
Но это уже совсем другая история. Джозефсон был и остается великим ученым, а квантовая теория сама по себе достаточно странна — почти так же невероятна, как вещи, о которых он сейчас рассуждает.
Подготовлено по материалам книги .
Фото: BSIP/ UIG / Getty Images, Ian Cuming / Getty Images, SSPL / Getty Images, Quinn Rooney / Getty Images, SSPL / Getty Images
