Магия физики. Как управлять тайными силами материи, создавать вещества из квантового мира и вызывать кристаллы из хаоса

Фликер Феликс

Эмерджентная квазичастица может существовать сама по себе выше основного состояния материала и не может быть сведена к другим объектам, обладающим тем же свойством.

Эмерджентные квазичастицы не могут быть сведены к элементарным частицам без потери существенной части этого описания: представьте себе толпу, в которой все притискиваются друг к другу, чтобы расслышать слух о появлении призрака. Разумеется, эту ситуацию можно описать в терминах индивидуальных охотников за привидениями, но при этом теряется общая картина. В этом суть идеи «эмерджентности», концепции, согласно которой целое может быть чем-то большим, чем сумма его составляющих: у толпы есть свойства – например ограничения возможностей

движения, – которых нет у составляющих эту толпу индивидов. В физике конденсированного состояния роль индивидов обычно играют атомы и элементарные частицы, а эмерджентными свойствами являются макроскопические свойства вещества, понимаемые в терминах эмерджентных квазичастиц.

Квазичастицы встречаются только в физике конденсированного состояния. Многие из них обладают поразительно призрачными, ирреальными свойствами: фононы можно зарегистрировать в эксперименте, но при попытке найти их на уровне элементарных частиц оказывается, что их не существует. Это просто коллективная вибрация атомов.

Исходя из этого, может возникнуть искушение заявить, что квазичастицы «менее реальны», чем те элементарные частицы, из которых они рождаются. Однако взглянем на этот вопрос вот с какой точки зрения: мы считаем окружающий нас мир – срединную область – реальным. Напротив, квантовая область кажется нам полной мистического морока. Однако знакомый нам мир оказывается свободен от квантовых трюков именно потому, что он эмерджентен. Отрицать реальность квазичастиц – значит отрицать реальность повседневного бытия. Не существует элементарных частиц, переносящих звук, но это не мешает нам слышать далекое уханье сов в соседнем лесу.

Совы – не то, чем они кажутся

Теоретики работают во всех отделах физики, выделяя из реальности ее суть. Но это выделение может принимать много разных форм. Те, кто занимается физикой элементарных частиц, стараются выявить отдельные составляющие элементы Вселенной – самые мелкие движущиеся части реальности. Эта программа добилась поразительных успехов, главным из которых стало создание Стандартной модели, учитывающей все известные элементарные частицы. Возможно, конечной целью этого предприятия следует считать «теорию всего», которая добавит к Стандартной модели последний недостающий ингредиент – гравитацию. Если такая теория действительно будет создана, в ней будет содержаться ключ к пониманию будущего Вселенной. Но, как вы, вероятно, понимаете, на самом деле она не будет теорией всего. По сути, такая теория не будет описывать ничего из того, с чем мы сталкиваемся каждый день. Она будет теорией всех элементарных частиц и их взаимодействий, но не будет теорией, скажем, сов.

Не существует элементарной частицы сов, и все же мы считаем, что сами совы существуют. Они состоят из атомов множества разных типов. Каждый атом состоит из протонов, нейтронов и электронов. Таким образом, совы не элементарны, а эмерджентны. Сова представляет собой сложный, беспорядочный набор характеристик; она больше, чем сумма составляющих, из которых она возникает. Простейшими из этих составляющих могут быть элементарные частицы, атомы, клетки, гены или что-нибудь еще. Эти описания нижнего уровня не исключают друг друга, и ни одно из них, строго говоря, нельзя назвать неверным. Однако они не отражают когтей сов, их крика, их клюва или распространенных представлений об их связях с колдовством.

Физика конденсированного состояния не изучает сов (во всяком случае, пока). Однако она изучает то, что возникает при взаимодействии множественных объектов, и именно этим срединная область отличается от мира микроскопического. Старая пословица утверждает, что одна голова хорошо, а две – лучше. Реже отмечают тот факт, что две головы лучше одной более чем вдвое: дополнительное преимущество дает эмерджентность. А когда огромное множество частиц собирается вместе и образует комок вещества, могут возникать целые новые миры.

Эта книга рассматривает вопрос о

том, какие формы могут принимать эти новые миры. Если выпарить повествование до самой сути, полученная эссенция даст ответ на следующий вопрос: что такое материя?

Понять этот ответ можно многими разными способами, и каждая из глав будет посвящена одному из возможных, взаимно дополнительных подходов. Наше исследовательское путешествие будет состоять из трех этапов.

Туда и обратно

Однажды, странствуя по пустыне, я встретил фокусника. Мы беседовали о том и о сем и в конце концов заговорили об эстрадных фокусах. Я спросил фокусника, знает ли он моего любимого иллюзиониста Деррена Брауна, который напоминает публике в начале каждого представления, что использует сочетание «магии, внушения, психологии, отвлекающих маневров и актерского мастерства». Фокусник о нем знал.

Я рассказал фокуснику, что мое уважение к Деррену Брауну развивалось в два этапа. Вначале, когда я смотрел его выступления, меня восхищали его блестящие сеансы телепатии и внушения. Он читал мысли, заставлял видеть то, чего там не было, или исполнять невероятные трюки. Он использовал пробелы в нашем восприятии реальности, чтобы показать, что наши модели мира уязвимы для манипуляций. Но по мере маниакального, многократного просмотра его выступлений я в конце концов понял, что многого можно достичь не психологическими манипуляциями, а хитроумной ловкостью рук и традиционными фокусами. Тогда-то мое восхищение и перешло на новый уровень. Это было настоящее волшебство! Браун заставил меня, рационального скептика, снова поверить в магию, и добился он этого, используя слепое пятно науки – тайны мозга.

Фокусник из пустыни сказал мне, что считает Деррена Брауна величайшим из живущих фокусников. Он согласился, что в его случае, как и в отношении любых по-настоящему великих фокусов, существуют две степени восхищения. Но, добавил он, есть и третья степень: восхищение коллеги, профессионала, смотрящего эти фокусы. Фокусник знает, сколько приемов использовано в том или ином фокусе и как именно этот фокус исполняется, – но все равно, глядя на работу Деррена Брауна, поражается его несравненному техническому искусству. Наблюдать столь мастерское исполнение фокусов доставляет профессионалу истинное наслаждение.

В том, о чем говорил фокусник, я узнал нечто аналогичное пути к пониманию, который проходит ученый. Это и есть то трехэтапное путешествие, в которое отправляемся все мы. В молодости мир приводит нас в восхищение. Все в нем для нас ново, его чудеса поражают нас. Это первый этап: восторг от представления. По мере взросления мы начинаем узнавать, как вещи устроены. Так мы приближаемся ко второму этапу – пониманию того, как именно мир делает свои фокусы. На этом этапе легко заблудиться, забрести в холодную, темную пещеру рационализма. Но если вы способны поддержать в себе хотя бы тлеющий огонек восторга, его всегда можно снова зажечь всего лишь легким дуновением. При наличии терпения и небольшого везения вы сможете разжечь это пламя и перейти к третьей стадии понимания – стадии ученого, понимающего, как устроены фокусы, которые показывает нам мир, и любящего его еще больше за то, как искусно он это делает.

Познание окружающей нас материи – это история, которую дополняют и пересказывают на протяжении веков. По мере продвижения по этой книге мы познакомимся с разными взглядами на природу материи. Мы начнем с далекого прошлого, когда все состояло из земли, воздуха, огня и воды, и дойдем до отдаленного будущего: там нашу жизнь преобразуют вещи, в которых физика конденсированного состояния только сейчас начинает разбираться. В первых главах мы составим основные заклинания – сведения, передававшиеся из поколения в поколение и охватывающие те знания, которые должны получить в процессе обучения все желающие заниматься этой наукой. Подготовившись таким образом, в следующих главах мы начнем продвигаться в будущее, знакомясь с заклинаниями, которые специалисты по физике конденсированного состояния только учатся использовать.