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

Фликер Феликс

В Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где Андерсон работал на протяжении значительной части своей карьеры, некогда существовала исследовательская группа под названием «Теория твердого состояния». Сотрудникам этой группы довольно давно стало ясно, что их интересы выходят далеко за пределы области твердых веществ. В 1967 году Андерсон и его коллега профессор Фолькер Гейне дали группе новое название – «Теория конденсированного вещества», – включив тем самым в рассмотрение все вещества, в той или иной мере «конденсированные», то есть такие, в которых взаимодействие между частицами порождает некое коллективное поведение, наблюдаемое на повседневном уровне. Называние есть акт творения: давая имя, мы включаем в категорию одни сущности и исключаем из нее другие. Эту идею лаконично выразила в книге «Чистота и опасность» (Purity and Danger, 1966), исследовании ритуальных табу и магических верований, социолог Мэри Дуглас:

По

мере научения объектам присваиваются имена. Эти имена влияют на то, как эти объекты будут восприняты в следующий раз: получив метки, они скорее будут попадать каждый в свою классификационную ячейку [13] .

Название «физика конденсированного состояния» распространило область интересов этой науки с твердых веществ на всю материю вообще, и это переименование и по сей день продолжает определять развитие этой дисциплины.

13

Пер. с англ. Р. Г. Громова. Цит. по: Дуглас М. Чистота и опасность: анализ представлений об осквернении и табу. М.: Канон-пресс-Ц, Кучково поле, 2000.

Мне повезло встретиться как с Гейне, так и с Андерсоном. С Гейне я познакомился в 2015 году, когда заканчивал свою диссертацию в Бристольском университете. Я приехал в Кембридж провести семинар и, повинуясь внезапному порыву, постучал в дверь его кабинета. Он появился передо мною в рубашке совершенно психоделической расцветки и со здоровенным металлическим медальоном на груди и радостно пригласил меня войти, хотя понятия не имел, кто я такой. Его кабинет украшала собранная на протяжении всей жизни коллекция загадочных артефактов, а наша беседа стала одной из самых интересных в моей жизни. Разговор начался с физики, но потом мы поговорили о множестве самых разных предметов, пока не добрались до бегства из нацистской Германии в Новую Зеландию, которое он пережил в детстве. К сожалению, тема подобных побегов часто возникает в истории физики XX века.

На следующий год я начал работать научным сотрудником в Калифорнийском университете в Беркли. Оттуда я полетел – тоже провести семинар – в Принстон, где и познакомился с профессором Андерсоном, обосновавшимся в Принстоне после выхода на пенсию в 1984 году (физики, как и волшебники, никогда по-настоящему не отходят от дел). Поскольку гостевой кабинет находился прямо напротив кабинета Андерсона, а его дверь, как мне показалось, всегда оставалась открытой, я постучался и поздоровался. Там я удостоился еще одного увлекательнейшего разговора, всячески стараясь не терять самообладания в присутствии сразу двух Андерсонов – живого и его картонной фигуры в натуральную величину, стоявшей рядом с ним. Меня очень обнадежил рассказ Андерсона о том, как он пришел к своим столь высоко ценимым сейчас идеям. Я думаю, дело было в том, что я понял: живые легенды – тоже люди; им тоже случается ощущать неуверенность относительно того, как будут восприняты их идеи.

Вечером того же дня я рассказал о своем разговоре с Андерсоном некоторым из принстонских постдоков. Это их поразило: они никогда не слышали, чтобы с ним кто-нибудь беседовал! Поскольку никто не решался к нему приблизиться, его считали неприступным. На самом же деле его моральная поддержка оказалась очень полезной в карьере, которая часто бывает непредсказуемой.

Хотя очертания берегов физики конденсированного состояния могут быть нечеткими, все волшебники могут назвать одной из определяющих характеристик этой дисциплины море эмерджентности. Тем не менее, хотя эта идея кажется интуитивно понятной, ее может быть трудно выразить словами. Начать можно со знаменитого коана дзен-буддизма:

Это [хлопает в ладоши] – звук хлопка двумя ладонями. А каков звук хлопка одной ладонью?

Хлопок не содержится ни в одной из двух ладоней; он возникает из их сочетания. Мой друг, философ Леонид Тарасов предложил следующее определение:

Явление эмерджентно тогда, и только тогда, когда оно объяснимо в терминах других явлений, но его объяснение не может быть сведено только к ним.

Другими словами, при исключении из объяснения самого эмерджентного явления из него исчезает нечто существенное. Нужно отметить, что эмерджентность в этом смысле не противоречит другой основе научной мысли – редукционизму, который стремится сводить явления к их сути. Редукционизм – это процесс отделения важных элементов от несущественных. Когда Шерлок Холмс расследует дело, он повторяет нам историю, которую мы только что прочитали, но в редуцированном виде, сохраняя лишь существенные детали.

Он способен на это, потому что понял задачу и знает, на какие детали можно не обращать внимания. Как любит подчеркивать мой друг, теоретик Крис Хули, эмерджентность на самом деле представляет собой один из видов редукционизма, но существенные детали в ее случае – это не мельчайшие элементы (элементарные частицы), а коллективные явления. И это вполне понятно: если вам предложат за несколько секунд нарисовать волшебника, вы, вероятно, набросаете условную человеческую фигуру с несколькими деталями – остроконечной шляпой, усыпанной звездами, жезлом, может быть, и совой на плече. Вряд ли вы попытаетесь нарисовать за отведенное время как можно больше атомов, хотя волшебника можно описать и таким образом.

Понятное объяснение можно сформулировать на примере муравьев. Вероятно, вполне можно утверждать, что отдельные муравьи не придумывают особенно замысловатых схем, но целая колония муравьев способна принимать весьма хитроумные коллективные решения. Физик Ричард Фейнман довольно подробно пишет о своих наблюдениях за муравьями в автобиографии «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!» (Surely You’re Joking, Mr Feynman! 1985). Сначала он заметил, что если посмотреть на цепочку муравьев, пробирающихся к источнику пищи – например кусочку сахара – и от него, оказывается, что они часто выбирают весьма рациональный маршрут. Но как муравей узнает, какой маршрут будет самым лучшим? С учетом масштаба муравья сахар находится далеко от гнезда; на таком расстоянии муравей, вероятно, не видит сахара и не слышит его запаха. Фейнман наблюдал следующее явление. Муравей находит кусочек сахара, по сути дела, случайно. Когда это происходит, он набирает некоторое количество сахара и возвращается к муравейнику довольно-таки окольными путями. Фейнман предположил, что муравей, возможно, оставляет на своем обратном пути ароматические метки, сообщающие другим муравьям, что он нашел нечто ценное, потому что затем по пути, ведущему к сахару, начинают сновать другие муравьи. Постепенно маршруты, по которым следующие муравьи добираются до сахара, становятся все рациональнее: муравьи срезают углы и находят более короткие пути. Очень скоро муравьиная тропа становится хорошим приближением к кратчайшему пути от муравейника к сахару.

Наблюдая это природное явление, Фейнман придумал гипотезу, объясняющую его. Однако, будучи добросовестным ученым, он придумал и эксперимент, позволяющий проверить эту гипотезу на практике. Муравьи попадали в дом через щель у окна и вначале оказывались на подоконнике. Он подвесил кусочек сахара на нитке, чтобы уменьшить вероятность того, что какой-нибудь муравей наткнется на него случайно. Затем он положил на подоконник клочок бумаги. Каждый раз, когда на бумаге оказывался муравей, он подносил бумагу к сахару. Каждый раз, когда муравей слезал с сахара обратно на этот бумажный паром, Фейнман возвращал его на подоконник. Муравьи очень быстро начали передвигаться по прямому пути к бумажному парому, переезжать на нем к сахару, а затем возвращаться на паром и далее в муравейник. Это подтверждало справедливость гипотезы о том, как муравьи выбирают свои маршруты.

Ни один отдельный муравей не понял, как использовать паром: эта идея возникла из совокупности муравьев, коллективно. В дикой природе наблюдали, как муравьи, сцепляясь друг с другом, образуют мосты через расселины шириной в десять или двадцать муравьиных тел. С другой стороны, их поведение иногда бывает ошибочным: иногда можно видеть, как огромные количества муравьев-солдат образуют «смертельные круги» – они ходят друг за другом по кругу, пока в конце концов не умрут от истощения сил. Выяснение того, как такое сложное поведение возникает на основе простых правил, открывает перспективы разнообразных приложений, от «роевой робототехники» (простых роботов, работающих совместно без руководителя) и нанотехнологий до «программируемой материи» (молекулы которой можно «научить» изменять положение для образования требуемой конфигурации). Одной из главных тем исследований в области информатики являются искусственные нейронные сети, позволяющие компьютеру распознавать образы, используя коллективную работу многочисленных простых процессов, – подобно нейронам мозга. Во всех этих случаях речь идет о крупномасштабном сложном поведении, объяснимом в терминах более простых составляющих меньшего масштаба, но не сводимом к ним одним.

Однако самый классический пример, возможно, дает именно то, что интересует нас в этом исследовании больше всего, – сама материя.

Состояния материи

Состояния материи хорошо описал греческий философ Эмпедокл, предположивший, что все на свете состоит из сочетаний классических «стихий» (элементов) – земли, воздуха, огня и воды. Поразительно сходные теории материи существовали и во многих других культурах, в том числе в Древней Индии, Египте, Вавилоне и Тибете, а также в индуизме и буддизме.