Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер

или других кристаллах). При более высоких температурах материи легче минимизировать свободную энергию путем максимизации своей энтропии. Равновесие смещается в точке фазового перехода: порядок исчезает, и лед тает, превращаясь в воду; при еще более высоких температурах вода кипит, превращаясь в пар.

Во многом благодаря вкладу Гельмгольца к моменту его смерти в 1894 году термодинамика стала общепризнанной научной дисциплиной. Ее феноменальный успех произвел революцию в человеческом мышлении и заложил прочные основы современной науки. Все было готово для новой революции, произошедшей около рубежа XX века.

Искусство возможного

В генеалогическом древе физики есть две ветви: почтенный аристократический род натурфилософов, университетских ученых, которые начали проверять свои теории на опыте, и семейка бродяг-алхимиков, пытавшихся добиться богатства и славы при помощи сокровенного знания. К тому, что эти семейства породнились, приложила руку и термодинамика. Это был брак по расчету, который предложили и обеспечили потребности промышленности. Но и родословная бродячей семейки разделялась на две линии: естественную магию, в которой алхимики пытались познать мир через многократные опыты, служившие для проверки достоверности знаний, унаследованных от древних, и вызывание демонов. В этом союзе не нашлось места эзотерическому мракобесию: демонов навечно изгнали из науки, ибо они не выдержали испытания воспроизводимыми экспериментами.

Термодинамика, выраженная в трех с половиной началах, – это фундаментальное осознание того факта, что наши знания связаны между собою этими скрытыми корнями. Ее законы применимы ко всему, от макрокосма до микрокосма и всего того, что лежит между ними: образование и поведение элементарных частиц подчиняются закону сохранения энергии; звезды представляют собой гигантские тепловые машины, работающие на ядерном синтезе; а развивающаяся сейчас область нанотехнологий поднимает термодинамику до уровня высокого искусства, строя молекулярные машины, выполняющие наши поручения – например доставляющие лекарства, которые, как мы надеемся, однажды смогут излечивать многие болезни. Термодинамика – это ясное проявление фундаментального отличия нашей срединной области: скажем, для элементарных частиц никакой энтропии не существует; это чисто эмерджентное явление, и тем не менее оно составляет суть нашего существования. Оно определяет различие между прошлым и будущим: время течет в направлении увеличения беспорядка, и известная нам реальность эмерджентна.

В самом ли деле эти законы невозможно нарушить? Особенно мудрый волшебник мог бы ответить, что так уж устроен мир и было бы мудрее изучать и исполнять эти законы, чем пытаться им противиться. Но волшебникам свойственно бунтарство, и он мог бы добавить шепотом, что кроме всего этого, чтобы нарушать законы, их сначала следует изучить. При достаточных знаниях законы становятся похожи на дружелюбных партнеров по тренировкам: проверяя их устойчивость, мы познаем окружающий нас мир.

Мы видели, как эти законы возникают из микроскопического мира атомов и молекул, который описывает статистическая механика. Но в XIX веке понятия о микроскопическом мире были чрезмерно упрощенными: предполагалось, что атомы и молекулы ведут себя привычным образом, летая по прямым линиям. Эта модель оказалась на удивление полезной, но на самом деле микроскопический мир – место гораздо более магическое. По мере того как эксперименты начали все глубже проникать в него, ученые стали осознавать, что поведение атомов и молекул фундаментально отличается от того, что мы знаем по повседневной жизни. Объяснение этих экспериментов потребовало включения в модели реальности непривычных и, казалось бы, противоречащих здравому смыслу черт.

Термодинамика стала предком физики конденсированного состояния, использовав древние, но зачастую неверные идеи в превращении этой области в науку современной эпохи. К началу XX века были собраны дрова и приготовлена растопка. В 1905 году кремень разума Альберта Эйнштейна высек четыре искры; из них разгорелся огненный смерч создания квантовой механики, и именно к этому пламени мы обратим теперь свои взоры.

V

За знакомыми нам полями

По дороге домой леди Долгоух остановилась на залитой лунным светом лесной тропе и показала на что-то пальцем.

– Что это такое? – спросила она Калабаша.

– Изгородь, – ответил он.

Леди Долгоух просунула палец между листьями и повторила тот же вопрос.

– Изгородь, – был ответ.

Леди Долгоух повертела пальцем, показывая, что он не касается листьев.

– Дыры – тоже часть изгороди! – возразил Калабаш.

Леди Долгоух объяснила:

– В здешних лесах есть особое слово для туннелей, которые проделывают в изгородях птицы. Их называют смюзами.

Услышав это, Калабаш перестал видеть изгородь с дырами. Теперь он видел только смюзы, разделенные листьями.

Квантовая область

Мы начали с первоначальных проблесков физики конденсированного состояния – классических состояний материи и давнего восхищения человечества природными магнитами. Затем мы прошли предысторию этой дисциплины, первые познания в области возможностей металлов и кристаллов. После этого мы перешли к непосредственному преддверию нашей науки – термодинамике, отбросившей наименее полезные части классической мысли (демонов и тому подобное) и выведшей на первый план поддающиеся проверке эксперименты; мы видели, как статистическая механика объясняет возникновение нашего мира из микроскопического мира атомов и молекул. К концу XIX века успехи этих идей породили ощущение, что физика объяснила более или менее все, что можно познать; оставалось лишь разобраться с некоторыми мелочами.

Эта точка зрения оказалась довольно недальновидной.

У многих хорошо изученных явлений не было объяснения, логично вытекающего из идей того времени. В головоломке не хватало кое-каких фрагментов: лежащие в поле морковку, ветки и угольки уже нашли, но еще не поняли, что раньше здесь стоял снеговик. Например, на рубеже XX века природные магниты все еще оставались чистым колдовством – объяснения причин существования магнитов по-прежнему не было. Другой пример: в то время считалось, что любое вещество, если его достаточно охладить, должно замерзнуть в твердые кристаллы. Если абсолютный нуль – это температура, при которой прекращается любое движение, что же еще может произойти? Однако на заре XX века, с появлением криогенной техники, стало ясно, что заморозить гелий невозможно. Гелий никогда не затвердевает при атмосферном давлении – даже при абсолютном нуле. Далее, из приведенного в прошлой главе описания фазовых переходов с точки зрения равновесия между энергией и беспорядком следует, что при абсолютном нуле (где беспорядка быть не должно) они происходить не могут. Однако теперь известны примеры фазовых переходов при абсолютном нуле. Чтобы объяснить эти – и многие другие – явления, нужно было отказаться от классического мировоззрения.

Классический период современной физики закончился в 1905 году. Физики называют 1905-й annus mirabilis, годом чудес. Чудеса эти совершил Альберт Эйнштейн. Он выпустил четыре короткие статьи, в которых набросал карту мира, которого до этого никто никогда не видел. Говоря словами из основополагающей книги современного жанра фэнтези, «Дочери короля эльфов» (The King of Elfland’s Daughter, 1924) лорда Дансени,