Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Располагая жидким гелием, Каммерлинг-Оннес продолжил исследования поведения других веществ при таком экстремальном охлаждении. Физики предполагали, что при очень низких температурах, когда тепловые колебания атомов в решетке перестают воздействовать на движение электронов, электропроводность металлов должна значительно возрастать. В 1911 году, изучая поведение ртути при сверхнизких температурах, Каммерлинг-Оннес обнаружил новый замечательный эффект. Сопротивление металлов не просто спадало с понижением температуры, а неожиданно обращалось в нуль при температурах около точки кипения жидкого гелия. При этой температуре ртуть становилась сверхпроводником, т. е. вообще теряла электрическое сопротивление.

Позднее выяснилось, что многие другие металлы при температурах в области абсолютного нуля ведут себя так же, например, свинец обращается в сверхпроводник при 7,2 К.При этом превращение в сверхпроводник имело все характерные особенности фазового перехода второго рода, т.е. сопротивление уменьшалось до нуля по тем же законам, по которым железо теряло намагниченность при приближении к точке Кюри.

На этом история не закончилась, так как в 1937 году в Москве советский физик Петр Капица[40], охлаждая жидкий гелий до еще более низких температур, вдруг обнаружил, что при температуре чуть выше 2 К он начинает проявлять новые, совершенно непонятные свойства. Например, он теряет вязкость и, начав течь, уже никогда не останавливается, шокируя исследователей зрелищем жидкости, поднимающейся вверх по стенкам сосуда и переливающейся через край. Это состояние вещества было названо сверхтекучим.

Теоретическое объяснение сверхтекучести было дано в конце 1930-х годов[41], сверхпроводимости металлов — лишь в 1957 году. Как выяснилось, эти неожиданные и даже «экзотические» физические эффекты связаны с квантово-механическими законами и принципиально не могут быть описаны в рамках классической физики, которая действует при высоких температурах. Квантовая механика, как ни странно, не мешает упомянутым явлениям выступать в качестве очень наглядных примеров настоящих фазовых переходов, и оба эффекта демонстрируют последствия коллективного поведения частиц, обусловленного взаимодействиями на атомарном уровне. В большинстве учебников и книг по квантовой физике обычно подчеркивается, что она перевернула все представления «классической» механики, однако она не «перевернула» физику фазовых переходов и лишь позволила ярче выявить закономерности, характерные для низких температур.

В действительности теория фазовых переходов демонстрирует нам глубину фундаментальных представлений физики вообще. «Традиционная» квантовая механика, возникшая в 1920-х годах, оказалась недостаточной оля описания строения протонов и нейтронов, составляющих ядро атома. В 1970-х годах физики разработали новую теорию, названную квантовой хромодинамикой, в которой старые представления предстали в новом обличье. Например, на основе многих концепций классической статистической физики типа решеточных моделей Изинга вдруг вновь обнаружились резкие фазовые переходы, происходящие между субатомными частицами, т.е. скачкообразные процессы перестройки систем таких частиц. Многие космологи и астрофизики верят, что в течение ничтожных промежутков времени (буквально долей секунды) вся наша Вселенная после так называемого Большого Взрыва испытывала какой-то поразительный фазовый переход. Предполагается, что в период «расширения» происходил космический фазовый переход, в результате которого Вселенная и приобрела наблюдаемые сейчас гигантские размеры, хотя ее исходный объем был сравним с размерами протона. Вот это был А-Бумм!

Читатель не должен думать, что все быстрые и неожиданные события происходят только благодаря фазовым переходам. Например, если кто-то включает свет в комнате, то этот мгновенный процесс не имеет никакого отношения к рассматриваемым нами проблемам. Характерной особенностью фазовых переходов является то, что они происходят сразу во всей системе (в этом смысле их можно назвать глобальными процессами), как бы в соответствии с тайным «заговором» всех элементов или частиц системы.

Таким образом, под фазовым переходом мы будем понимать неожиданное глобальное изменение поведения системы, происходящее за счет взаимодействия множества составляющих ее частиц, причем силы этого взаимодействия являются короткодействующими, иными словами, локальными. Поведение частиц в таких системах можно уподобить общению людей, которые имеют дело только со своими ближайшими соседями и не принимают во внимание события, происходящие вне этого окружения. Фазовый переход происходит после того, как некое внешнее воздействие, действующее на частицы, достигнет некоторого порогового значения. Именно этим объясняется кажущаяся внезапность фазовых превращений: до некоторого момента все частицы и система в целом, с точки зрения внешнего наблюдателя, ведут себя «нормально», а затем вдруг без всякого «предупреждения» (или почти вдруг, как будет показано далее) резко изменяют характер своего поведения.

Появление и развитие новых теорий значительно расширило рамки статистической механики, созданной Максвеллом и Больцманом со скромной целью описания поведения разреженных газовых систем, и превратило ее в обширную и важную область науки, получившую обобщенное название статистической физики. Традиционно она включает в себя разнообразные задачи, связанные с поведением объектов неживой природы, в частности, при фазовых переходах. Эпитет статистический в названии призван подчеркнуть, что исследуемые системы состоят из множества частиц, взаимодействие между которыми и приводит к усредненному поведению объекта в целом.

Современная статистическая физика далеко ушла от простых задач, связанных с газами в сосудах. В наши дни она описывает множество интереснейших и грандиозных явлений, причем очень часто в рамках статистической физики теории и идеи прошлых веков находят новые приложения и оригинальные интерпретации. Традиционно статистическая физика занималась изучением «необычных» процессов, к их числу можно отнести и многие явления динамически развивающегося мира, в котором мы живем. Термодинамика XIX века имела дело почти исключительно с равновесными состояниями и замкнутыми системами, в которые ничего не притекает, из которых ничего не исходит и в которых по большому счету ничего не изменяется. В следующей главе рассказывается о современной статистической физике, которая занимается изучением процессов рождения и гибели, составляющих течение жизни.