Все мы начиная с 24 февраля 2022 года оказались перед лицом наступающего варварства, насилия и лжи. В этой ситуации чрезвычайно важно сохранить хотя бы остатки культуры и поддержать ценности гуманизма — в том числе ради будущего России. Поэтому редакция «Горького» продолжит говорить о книгах, напоминая нашим читателям, что в мире остается место мысли и вымыслу.
Феликс Фликер. Магия физики: как управлять тайными силами материи, создавать вещества из квантового мира и вызывать кристаллы из хаоса. М.: КоЛибри, Азбука-Аттикус, 2023. Перевод с английского Дмитрия Прокофьева. Содержание
Русскоязычное название книги Феликса Фликера «Магия физики» может сбить читателя с толку. В тексте под таким заголовком ждешь очередного объяснения, насколько мощна общая теория относительности, почему так точна в своих предсказаниях современная теория элементарных частиц и чем красива теория струн. Но речь пойдет не об этом.
Для оригинального заголовка Фликер, специалист в области физики конденсированного состояния, выбрал не обычное слово magic, а чуть более вычурное magick. В такой форме слово скорее отсылает не к абстрактной волшебной красоте, а к колдовству и заклинаниям. В британской версии издания в заголовке вообще нет слова «физика», книга называется The Magick of Matter — нечто вроде «Заклинаний, совершаемых над Веществом», то есть автор скорее собирается вести речь о современной алхимии и поиске новой версии философского камня.
Иными словами, магия тут в том, чтобы из сакральных знаний о квантовой теории поля с помощью правильных «заклинаний» перенести волшебное и невозможное в видимый мир. Квантовая механика — волшебна, но абстрактна и недоступна взгляду. Физика конденсированного состояния — то есть физика кристаллов, жидкостей, стекол, полимерных материалов, магнитов и сверхпроводников — максимально реальна.
В отличие от космологии и квантовой механики, физика кристаллов и жидкостей не позволяет ощутить присутствие чего-то трансцендентального. Но именно ее заземленность и делает возможным волшебство. Здесь загадочность квантового мира может проявиться на макроуровне.
«Физика — это набор инструментов, которые можно применить к чему угодно, от невидимо малого до непознаваемо большого. Но внимание волшебника сосредоточено на более конкретной области, на том, что есть здесь и сейчас. Между крайностями лежит срединная область — тот знакомый мир, в котором мы живем».
На этом-то привычном для человека срединном уровне записанные непонятными символами абстрактные «заклинания» переходят в реальный мир. Как пишет Фликер, физика конденсированного состояния — это прикладная квантовая механика. Если освоить ее технически сложный язык, то жидкости начнут карабкаться по стенкам сосуда и вытекать наружу, а камни — зависать в воздухе. А разобравшись с этими действительно удивительными явлениями, волшебство можно увидеть и в более привычных явлениях. По словам самого автора, очарование обыденным — одна из центральных тем его книги.
Каждую главу Фликер начинает с небольшого отрывка из фэнтезийной сказки, которую сам мог бы рассказывать детям на ночь. В детских книжках волшебство реально. Но если приглядеться, и во взрослом мире оно настолько же реально. Как только дети засыпают, можно объяснить, как оно работает и откуда берется.
На параллелях между фэнтези и физикой автор строит практически все повествование. Для объяснений полезными оказываются и принципы колдовства Урсулы Ле Гуин, и метафоры Льюиса Кэрролла, и даже менее очевидные образы из стихотворений Уильяма Блейка, публицистики Флэнна О’Брайена, древнекитайских трактатов, скетч-шоу «Монти Пайтон», «Младшей Эдды» или сериала «Твин Пикс».
Например, рассказывая о фазовых переходах, Фликер описывает постепенное нагревание закипающей воды и обращается к китайскому трактату XI века о заваривании чая. Согласно труду Цай Сяня, нагревающаяся вода постепенно проходит стадии «гла́за креветки», «крабьего глаза», «рыбьего глаза», «жемчужной нити» и «бушующего потока». И если тысячу лет назад объяснения, почему черному чаю больше подходит «жемчужная нить», а для нежного зеленого чая необходим «глаз креветки», отсылали слушателя если не к волшебству, то как минимум к секретам древнего мастерства, то сейчас для этого есть другой язык — иногда нам хватает и классической физики, но чаще приходится погружаться именно на квантовый уровень.
Рассуждая о том, как кристаллы начинают волшебным образом светиться нужным светом, притягивать предметы, левитировать, расщеплять свет на компоненты или генерировать под давлением электрический ток, избежать разговора о квантовой механике никак не получится. Современная физика конденсированного состояния невозможна без физики элементарных частиц.
Главный вопрос — как из этих элементарных частиц складываются свойства макрообъекта. Видов элементарных частиц не так много, и квантовые законы, которым они подчиняются, — для всех одни и те же. Но на выходе получаются совершенно разные вещи.
Поэтому центральная идея книги Фликера — эмерджентность. Ни одно из эмерджентных явлений нельзя свести к свойствам отдельных частиц. На макромасштабе работает уже не сама квантовая физика, а те правила, по которым квантовые частицы объединяются в огромные группы и взаимодействуют сообща.
На стыке редукционизма и эмерджентности и возникает нужная нам магия срединного мира. Редукционистский подход старается разложить сложные явления на простейшие из возможных элементов, отсекая при этом все лишнее. Принцип эмерджентности, наоборот, настаивает на том, что множество элементарных частиц — больше, чем их простая сумма.
При этом часто непохожие друг на друга частицы, складываясь в большие ансамбли, ведут себя одинаково — даже несмотря на то, что большинство их свойств различны. Более того, похожие эмерджентные принципы можно найти и в совсем других системах: в роях роботов, колониях муравьев, мошпитах в танцпартерах или в команде супергероев от Marvel. Сравнивая поведение квантовых частиц с поведением людей, животных и историями из легенд, Фликер фактически показывает, что явления эмерджентности зачастую универсальны. И то, что кажется поверхностной аналогией, основанной на внешнем сходстве, на самом деле оказывается намного более глубоким общим правилом.
Благодаря этой диалектике эмерджентного и редукционистского физика срединного мира приняла свою нынешнюю форму. С одной стороны, ученым хотелось разобрать реальность на фундаментальные элементы, а с другой — понять, по каким принципам они соединяются и можно ли эти принципы использовать, чтобы сделать невозможное возможным.
Например, древнее учение о четырех стихиях до сих пор вполне работает и соответствует современным представлениям об агрегатных состояниях вещества. Вместо земли сейчас твердое тело, вместо воды — жидкость, вместо воздуха — газ, а вместо огня — плазма, газ из заряженных частиц. Только если когда-то стихии казались фундаментальными элементами видимого мира, то сейчас это, наоборот, возможные формы, которые могут принять ансамбли других, значительно более фундаментальных частиц: лептонов, бозонов и кварков. А кроме этих четырех форм возможны и другие, переходные и более сложные состояния, например стекло или металл.
Когда вещество разобрали на атомы и молекулы, молекулярную теорию с помощью статистики пришлось связывать с термодинамикой — прародительницей современной физики конденсированного состояния. А для еще более мелких, чем молекулы, квантовых частиц потребовалась куда более сложная статистика, которая за счет эмерджентных законов и дает на выходе огромное разнообразие макроматериалов — не только газов или жидкостей, но и полупроводников и диамагнетиков.
Казалось, в эпоху индустриализации роль прикладной квантовой физики должна была окончательно избавить эту физическую дисциплину от магии. Но Фликер считает, что магия не умерла, а просто приняла другую форму.
Объяснить, в чем же теперь заключается волшебство, физику опять помогают фэнтезийные аналогии. Так, метафора кэрролловского Зазеркалья иллюстрирует удобство изучения кристаллов с помощью обратного пространства, а сквозная метафора вещества как ткани из узелков позволяет показать, чем квантовая эмерджентность отличается от классической. Эта аналогия помогла Фликеру объяснить и то, как из большого количества узлов можно соткать огромное полотно, и как узлы топологически защищают его от возможной потери связности, и как в материалах работают симметрия и ее возможные нарушения.
Умение плести такую ткань — еще одна важная колдовская составляющая современной науки. Эта та часть научного процесса, которую не записать в форме инструкций. Мастерство выращивания кристаллов — современная черная магия. Одни руки делают это с легкостью, а у других ничего не получается. Настоящих колдунов-практиков в мире единицы.
Несмотря на всю эту образность, в «Магии физики» очень много конкретных довольно сложных примеров: это металлы и полупроводники, сверхтекучие жидкости и сегнетоэлектрики, триболюминесцентные материалы и поляризаторы света.
Описывающие их теории постоянно обновляются, экспериментальные методы — совершенствуются, и все более и более «волшебные» материалы — становятся реальностью. То, что показалось бы колдовством двести, сто и даже пятьдесят лет назад, сейчас становится обыденностью.
Самый близкий автору пример — используемые в его научной работе магнитные квазимонополи. В отличие от электрического монополя, сам по себе фундаментальный магнитный монополь невозможен с точки зрения современных представлений об элементарных частицах и теории поля. Отрицательный электрический заряд можно отделить от положительного, но с магнитными полюсами такой трюк не пройдет. Зато их можно воспроизвести внутри твердого тела именно за счет коллективного взаимодействия частиц. Через этот пример Фликер иллюстрирует свои главные идеи: принцип эмерджентности и принципиальную важность квазичастиц, которые всегда больше отдельных квантовых частиц, из которых они состоят, но при этом повторяют их свойства феноменологически.
Подводя итог, Фликер рассказывает о современной инкарнации философского камня, добыть который стремятся сегодняшние алхимики. По его мнению, это сверхпроводник, работающий при комнатной температуре. Сверхпроводимость — способность проводить электрический ток без сопротивления. Сейчас физики, несмотря на все свои приемы и тайные знания, могут надежно получать ее только либо при довольно низких температурах, либо при очень высоких давлениях. А при комнатной температуре и атмосферном давлении — пока нет.
Актуальность этой проблемы подтверждает совсем недавняя история о якобы успешном открытии такого материала — смеси метана, сероводорда и водорода, сжатой под колоссальным давлением. Но статья в журнале Nature, рассказывающая об этом открытии, после критических комментариев со стороны коллег была отозвана авторами. Несмотря на то что это совсем свежий случай, уже после публикации книги Фликера произошли еще две подобные истории с другими материалами (вот одна из них). То есть представить себе отчетливый образ философского камня физики уже сумели, но подержать его в руках пока не могут.
Феликс Фликер считает, что, заполучив этот философский камень, мы, возможно, сумеем попасть в мир, в котором технологии перестанут работать на непрерывный прогресс, а приведут нас, наконец, к какому-то равновесию. Именно туда, по его мнению, и должна стремиться современная практическая магия.
«Физика конденсированного состояния может обеспечить продолжение столь же стремительного технического прогресса человечества. И все же кажется разумным надеяться, что в отдаленном будущем стабилизировавшееся население может обратиться вместо этого к поискам технологий, направленных на достижение равновесия с окружающей средой».
И вот это будет по-настоящему волшебный мир.