Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили

Лазерная фиброоптика скоро станет обычным способом передачи информации по миру – именно в ней и заключается будущее Интернета. Мы почти достигли того момента, когда наше интерактивное телевидение и компьютеры сольются воедино. Сейчас уже можно скачивать фильмы из Интернета и смотреть их на компьютере. Оптоволоконные кабели, передающие лазерный свет, скоро смогут менее чем за секунду переносить миллиарды бит информации, что эквивалентно объему всех произведений Уильяма Шекспира![65]

Возможно, примечательнее всего здесь то, что лазеры сегодня можно использовать для контроля отдельных атомов различными способами, открывающими совершенно новую сферу квантовой технологии, которая будет описана в последней главе.

Магниты размером с дом

Хотя я неплохо справляюсь с работой по дому, мои лабораторные навыки вечно подвергаются незлобным насмешкам со стороны коллег-экспериментаторов – они не упускают случая подшутить над нами, теоретиками. Хотя я и правда сумел избежать любой экспериментальной работы, до недавнего времени я не понимал, насколько я отстал от технологий, используемых для получения экспериментальных результатов, которые я затем пытаюсь осмыслить. Однако суть истории, которую я собираюсь рассказать, не в этом – в ней описывается еще один способ применения квантовой физики, о котором вы, возможно, уже слышали.

В 1999 году я шесть недель провел в Циклотронной лаборатории Университета штата Мичиган, где работал над интерпретацией данных их последних экспериментов с «экзотическими» ядрами[66]. Национальная сверхпроводящая циклотронная лаборатория Университета штата Мичиган считается одной из ведущих мировых исследовательских лабораторий в сфере ядерной физики, где создаются и изучаются редкие и экзотические виды ядер. Наличие циклотрона означает, что сильное магнитное поле ускоряет ядра до высоких энергий, после чего они намеренно разбиваются о ядерную мишень, чтобы проверить, что произойдет. В циклотронах используются мощные электромагниты, которые заставляют заряженные частицы, или ионы, двигаться внутри них, перемещаясь по спирали наружу и набирая скорость в процессе.

Я знал все это до своей поездки в Университет штата Мичиган и, конечно же, более или менее представлял, что происходит с заряженными ионами, когда они покидают циклотрон и входят в систему анализа пучка по пути к цели. На самом деле для целей моего исследования мне вполне достаточно было поверхностных знаний обо всем остальном. Мне не нужно было ни знакомиться с сырыми данными, ни понимать хитроумные техники их получения (а этих техник, поверьте, немало) – я работал лишь с итоговыми, полностью обработанными данными[67].

Ускорительная установка находится в большом здании в центре кампуса, и по бокам от нее расположены офисные пространства. Во время своего пребывания в университете я входил в здание через одну из множества дверей и проходил в офис, где занимался разработкой математических моделей изучаемых ядерных реакций, писал компьютерный код или просто обсуждал физические проблемы с другими теоретиками. Конечно, в дополнение к этому я регулярно выходил за кофе, разговаривал в коридоре с коллегами-экспериментаторами и посещал семинары.

Однажды, ближе к концу моего пребывания в университете, я обсуждал кое-что со своим коллегой Грегерсом Хансеном у него в кабинете. Грегерс – один из ведущих ядерных физиков, он родился в Дании, но живет и работает в США. Он был одним из первооткрывателей нейтронного облака, которое я описал в Главе 3. Я заметил, как мерцает экран его монитора, и он объяснил, что ему пришлось «размагнитить» его, чтобы нейтрализовать лишние магнитные поля. Для удобства проведения этой процедуры на мониторе даже была специальная кнопка. Я спросил, зачем это необходимо, и он ответил, что всему виной проводящиеся на циклотроне испытания. Увидев, что это мне ни о чем не сказало, он пояснил, что проблема возникает из-за магнитного поля большего из двух сверхпроводящих магнитов, которые были включены в тот день. Когда я признался, что никогда его не видел, он не поверил своим ушам. «То есть ты шесть недель просидел в несчастных десяти метрах от самого мощного циклотронного магнита в мире[68] и даже не заметил этого?» На следующий день – в последний день моей командировки – он провел мне экскурсию по лаборатории. Само собой, за стеной моего офиса и несколькими метрами сдерживающего радиацию экрана, находился гигантский магнит – он был таким огромным, что нам пришлось подняться по проложенной вокруг него лестнице, чтобы попасть на вершину. После этого мне повезло провести некоторое время в лаборатории TRIUMF в Ванкувере, где находится крупнейший в мире циклотронный магнит, по мощности, однако, уступающий магниту Университета штата Мичиган.

Интересно, как именно работают такие магниты, поскольку они находят применение другому чисто квантовому эффекту – сверхпроводимости.

Непрерывное электричество

Причина, по которой все проводники демонстрируют электрическое сопротивление, заключается в том, что проводящие электроны постоянно натыкаются на вибрирующие атомы металла. Эти вибрации усиливаются при нагревании металла, тем самым увеличивая сопротивление. Конечно же, охлаждая металл, мы понижаем атомные вибрации, а следовательно, и сопротивление. Но в 1911 году был открыт очень неожиданный эффект.

При охлаждении ртути до температуры ниже 4,2 Кельвина[69] ее электрическое сопротивление вдруг падает до нуля, и она становится сверхпроводником. Теперь мы знаем, что это характерно для многих металлов и металлических сплавов при охлаждении ниже их критической температуры, которая обычно бывает на несколько градусов выше абсолютного ноля. Это означает, что идущий сквозь сверхпроводник ток никогда не уменьшается и не требует постоянного источника напряжения. Хотя мы не можем утверждать наверняка, что сопротивление сверхпроводника равняется именно нулю, оно настолько близко к нулю, что уже не представляет проблемы.

Истоки этого эффекта лежат в квантовой механике. В 1957 году трое ученых – Джон Бардин, уже становившийся лауреатом Нобелевской премии за свой вклад в изобретение транзистора, Леон Купер и Роберт Шриффер – объяснили механизм его работы и получили Нобелевскую премию за это открытие. При определенной температуре электроны со сходными волновыми функциями стремятся к объединению в названные в честь одного из их первооткрывателей «куперовские пары», что объясняется очень слабой силой притяжения. Чтобы понять это, нужно посмотреть, как присутствие каждого электрона влияет на окружающую среду. (Не буду перегружать вас техническими деталями.)

Каждая куперовская пара затем начинает вести себя как единичный бозон (два фермиона вместе всегда составляют бозон)[70]. Само собой, вам простительно думать, что электроны в этих куперовских парах движутся исключительно вместе, как сиамские близнецы. В конце концов, если они формируют бозон, он явно должен представлять собой нечто вроде новой «частицы». Однако не стоит забывать уроки квантовой физики. Двум электронам необязательно находиться в непосредственной близости друг к другу. В действительности расстояние между членами такой пары в тысячу раз