Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

В центре внимания современной физики лежит представление о том, что мир нашего опыта являет собой подобное случайное стечение конкретных обстоятельств, а не отражает непосредственно фундаментальную реальность. Это представление даже получило самостоятельное забавное название – «спонтанное нарушение симметрии».

Я уже упоминал один вид спонтанного нарушения симметрии, когда речь шла о четности, или симметрии правого и левого. Левая рука человека выглядит иначе, чем его же правая рука, хотя электромагнетизм – сила, определяющая строение больших биологических структур, таких как наши тела, – не различает левое и правое.

Два другие известных мне примера – оба они представлены известными физиками – также помогают высветить разные аспекты спонтанного нарушения симметрии, что может оказаться полезным. Абдус Салам, удостоенный Нобелевской премии в 1979 г. за работу, целиком основанную на этом явлении, описал всем нам знакомую ситуацию. Представьте, что вы с группой людей садитесь за круглый стол, накрытый, скажем, на восемь персон. Когда вы рассаживаетесь, вам, возможно, не очевидно, который бокал на столе предназначен вам, а который – вашему соседу справа или слева. Но, несмотря на правила этикета, предписывающие ставить бокал по правую руку от сидящего, как только кто-то первым возьмет свой бокал в руку, у всех остальных за столом останется только один вариант – если, конечно, вы стремитесь к тому, чтобы никто из участников застолья не остался без выпивки. Несмотря на то, что базовая симметрия накрытого стола очевидна, она нарушается, когда сидящие за столом выбирают направление для винных бокалов.

Йоитиро Намбу – еще один нобелиат, первым из физиков описавший спонтанное нарушение симметрии в физике элементарных частиц, предложил другой пример, который я воспроизвожу с некоторой адаптацией. Возьмите стержень (или даже соломинку для напитков), поставьте его одним концом на стол и надавите сверху на конец стержня. В конечном итоге стержень согнется. Он может согнуться в любом направлении, и если вы проделаете эксперимент несколько раз, то обнаружите, что стержень каждый раз сгибается в новом направлении. Заметим, что до вашего нажатия стержень обладал полной цилиндрической симметрией. После нажатия оказывается выбранным лишь одно направление из многих возможных, определяемое не собственной физикой стержня, а каждый раз случайными характеристиками каждого вашего нажатия. Происходит спонтанное нарушение симметрии.

Если теперь вернуться в мир покрытого изморозью окна, то окажется, что материалы могут изменяться с понижением температуры системы. Вода замерзает, газы сжижаются и т. д. В физике подобные изменения называются фазовыми переходами, и, как показывает пример с окном, нередко, когда система претерпевает фазовый переход, обнаруживается, что симметрии, связанные с одним фазовым состоянием, в другой фазе исчезают. К примеру, до замерзания и превращения в кристаллы льда на оконном стекле капли воды не были столь упорядоченными.

Один из самых поразительных фазовых переходов, известных науке, первым удалось наблюдать голландскому физику Камерлинг-Оннесу 8 апреля 1911 г. Оннес научился – и это уже было замечательно – охлаждать вещества до недостижимых прежде температур, и ему первому удалось получить жидкий гелий, который переходит в сверхпроводящее состояние всего при четырех градусах выше абсолютного нуля. За это экспериментальное достижение он позже был удостоен Нобелевской премии. 8 апреля, охладив ртутную проволочку в ванне из жидкого гелия до температуры 4,2 градуса по абсолютной шкале и измерив ее электрическое сопротивление, он с изумлением обнаружил, что оно внезапно упало до нуля. Токи, однажды возникшие в кольце из такой проволоки, могут циркулировать вечно даже после отключения источника тока. Для обозначения этого замечательного и совершенно неожиданного результата Оннес пустил в оборот слово «сверхпроводимость», чем продемонстрировал, что его способности в деле пиара нисколько не уступают его же экспериментаторским талантам.

Явление сверхпроводимости было настолько неожиданным и странным, что потребовалось почти пятьдесят лет после открытия квантовой механики, которой оно обязано своим существованием, прежде чем Джон Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер в 1957 г. сумели дать ему удивительное физическое объяснение. (Произошло это в том самом году, когда было открыто нарушение четности, а Швингер предложил модель объединения слабого и электромагнитного взаимодействий.) Их превосходная работа строилась на цепочке озарений, случившихся на протяжении нескольких десятилетий. В конечном итоге объяснение это опирается на неожиданное явление, способное возникать в некоторых материалах.

В пустом пространстве электроны отталкивают от себя другие электроны, поскольку обладают зарядами одного знака. Однако при охлаждении некоторых материалов электроны в них способны связываться с другими электронами. Так происходит в веществе потому, что свободный электрон притягивает к себе положительно заряженные ионы. Если температура чрезвычайно низка, то поле этих положительно заряженных ионов вокруг электрона может притянуть к себе еще один электрон. Пары электронов могут связываться между собой, а cклеивает их, если хотите, положительно заряженное поле, созданное влиянием притяжения первого электрона на решетку положительных зарядов, связанных с атомами вещества.

Поскольку ядра атомов тяжелые и удерживаются на месте относительно сильными межатомными взаимодействиями, первый электрон лишь слегка искажает решетку близлежащих атомов, придвигая их чуть ближе к себе, чем они располагались бы без него. Искажения решетки в общем случае вызывают в веществе вибрации, или звуковые волны. В квантовом мире эти вибрации квантованы и называются фононами. Леон Купер выяснил, что фононы способны связывать пары электронов, как я описывал выше, поэтому такие пары называют куперовскими.

Подлинное волшебство квантовой механики начинается дальше. Когда ртуть (или любое из ряда других веществ) охлаждается до температуры ниже определенной точки, происходит фазовый переход и все куперовские пары внезапно сливаются в единое квантовое состояние. Это явление, известное как конденсация Бозе – Эйнштейна, возникает потому, что, в отличие от фермионов, частицы с целочисленным квантово-механическим спином, такие как фотоны, или даже частицы с нулевым спином предпочитают находиться в одном и том же состоянии. Первым такое предположение высказал индийский физик Шатьендранат Бозе, а позже его гипотезу развил Эйнштейн. Здесь вновь свет сыграл принципиальную роль, поскольку в анализе Бозе использовалась статистика фотонов, а сама конденсация Бозе – Эйнштейна тесно связана с физическими законами, которые управляют лазерами, где множество отдельных фотонов ведет себя когерентно, пребывая в одном и том же состоянии. Поэтому частицы с целочисленным спином, такие как фотоны, называют бозонами, чтобы отличать их от фермионов.

В газе или твердом теле при комнатной температуре обычно происходит так много столкновений между частицами, что их индивидуальные состояния стремительно меняются, а какое бы то ни было коллективное поведение невозможно. Однако бозонный газ при достаточно низкой температуре может превращаться в конденсат Бозе – Эйнштейна, в котором самостоятельность отдельных частиц исчезает. Вся система ведет себя как единый, иногда даже макроскопический объект, но подчиняется правилам квантовой, а не классической механики.