Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева
Шрифт:
Пролетая мимо атомов в сверхпроводнике, электроны испытывают определенное притяжение со стороны атомных ядер. Положительно заряженные ядра немного смещаются в направлении электрона, в результате чего в атоме образуется зона с высокой плотностью положительного заряда. Этот плотный заряд притягивает новые электроны, которые в определенном смысле становятся «спаренными» с первой волной электронов. Это не сильная химическая связь между электронами, она больше напоминает те слабые взаимодействия, которые возникают между атомами фтора и аргона. Вот почему такая сцепка происходит только при очень низких температурах, когда атомы почти не вибрируют и не расталкивают электроны в разные стороны. При таких низких температурах мы не можем считать электроны изолированными частицами; они образуют группы и действуют вместе. В такой электрической цепи отдельные электроны не могут сбиться с курса или включиться в атом, поскольку прежде, чем такой электрон успеет замедлиться, общий поток электронов увлечет его за собой. Ситуация напоминают старую, уже запрещенную игровую тактику, которая применялась в американском футболе. Игроки без шлемов просто сцеплялись за руки и
Здесь я описал так называемую BCS-теорию сверхпроводимости. Она названа по первым буквам фамилий предложивших ее ученых: Джона Бардина, Леона Купера (электронные пары называются «парами Купера») и Роберта Шриффера [152] . Это был тот самый Джон Бардин, который участвовал в изобретении германиевого транзистора, получил за это Нобелевскую премию и опрокинул сковородку с яичницей, услышав эту новость. После того как в 1951 году Бардин покинул Bell Labs и отправился в Иллинойс, он всецело сосредоточился на изучении сверхпроводимости. Через шесть лет группа BCS полностью сформулировала новую теорию. Она оказалась настолько качественной и точной, что в 1972 году трое ученых совместно получили за свою работу Нобелевскую премию по физике. На этот раз Бардин снова отличился – он пропустил пресс-конференцию в университете, так как не смог выехать из гаража, где незадолго до того поставил новую электрическую дверь на транзисторном управлении. Но, приехав в Стокгольм повторно, Бардин все-таки познакомил своих уже взрослых сыновей со шведским королем – как и обещал в пятидесятые годы.
152
Шриффер, бывший член трио BCS, в конце жизни пребывал в мрачном кризисе. В таком состоянии он оказался виновником трагедии – убил двух людей, парализовал одного и ранил еще пятерых, устроив страшное ДТП на шоссе в Калифорнии. После того как семидесятичетырехлетний Шриффер получил девять штрафов за превышение скорости, у него временно отняли водительские права, но он все равно решил прокатиться на своем новом спортивном «Мерседесе» из Сан-Франциско в Санта-Барбару. Шриффер погнал по шоссе со страшной скоростью, но при этом умудрился заснуть за рулем и врезался в микроавтобус на скорости 111 миль в час. Шрифферу грозило восьмимесячное заключение в тюрьме графства, но после того, как члены семей жертв дали показания, судья ужесточился и сказал, что «Шриффер должен испытать, что такое тюрьма штата». Агентство Ассошиэйтед Пресс цитировало Леона Купера, некогда бывшего коллегой Шриффера; Леон обескураженно пробормотал: «Это не тот Боб, с которым я работал… не тот Боб, которого я знал».
Если охладить элементы еще ниже тех температур, при которых возникает сверхпроводимость, то атомы настолько «сходят с ума», что начинают наседать один на другой и даже заглатывать друг друга. Важнейшим фактором, позволяющим понять такое невероятное эйнштейновское состояние материи, является так называемая когерентность. Чтобы разобраться, что же это такое, нам потребуется сделать короткое, но очень интересное отступление и поговорить о природе света, а также о другой инновации на грани возможного – о лазерах.
Физики обладают довольно странным эстетическим чувством, и мало найдется на свете вещей, которые услаждают их
больше, чем двойственность, дуализм света. Обычно мы воспринимаем свет как разновидность волн. На самом деле, Эйнштейн смог сформулировать Специальную теорию относительности отчасти потому, что размышлял, какой он сможет увидеть Вселенную, если прокатится верхом на световой волне. Его интересовало, как будет выглядеть пространство, как будет (или не будет) идти время. Даже не спрашивайте меня, как он смог себе это вообразить. В то же время Эйнштейн доказал (чем он только не занимался в этой области), что иногда свет ведет себя как поток частиц, которые называются фотонами. Объединив два представления о свете – как о волне и как о частице – в теорию, получившую название корпускулярно-волнового дуализма, он верно заключил, что свет – это не только самая быстрая субстанция в наблюдаемой Вселенной, но и вообще самая быстрая субстанция, которая перемещается в вакууме со скоростью около трехсот тысяч километров в секунду. Конкретное состояние, в котором будет зарегистрирован свет – как волна или как частица, – зависит от того, как его измерять, поскольку свет всегда находится в двух этих состояниях одновременно.
Несмотря на то, какой чистой красотой свет обладает в вакууме, он может искажаться в результате взаимодействия с некоторыми элементами. Натрий и празеодим способны снижать скорость света примерно до 17 метров в секунду – это в 20 раз меньше, чем скорость звука. Эти элементы даже могут захватывать свет, удерживать его несколько секунд, как мячик, а потом отбрасывать в другом направлении.
Лазеры производят со светом еще более тонкие манипуляции. Как вы помните, электроны движутся, как лифт: они не могут подняться с уровня 1 на уровень 3,5 или упасть с уровня 5 на уровень 1,8. Электронные переходы происходят только между целочисленными уровнями. Когда возбужденные электроны возвращаются на исходный уровень, они избавляются от избыточной энергии, испуская ее в виде света. Поскольку движение электрона настолько ограничено, невелик и диапазон цветов, которые могут при этом возникать. Такой свет должен быть монохромным – как минимум в теории. На практике же электроны в различных атомах могут одновременно падать с уровня 3 на 1, с 4 на 2 и т. д. И в каждом случае получается иной свет. Кроме того, разные атомы излучают свет в разное время. Нашему глазу этот процесс кажется синхронным, но на фотонном уровне он нескоординированный и беспорядочный.
Лазеры позволяют обойти проблему
Прежде чем они будут готовы спуститься вниз, возникает новый световой импульс, в результате которого уже большее количество электронов неодима взлетает на десятый этаж, а потом сразу падает на второй. После того как этот процесс произойдет многократно, на втором этаже начинается сутолока. Как только на втором этаже окажется больше электронов, чем на первом, в лазере произойдет так называемая инверсия заселенности. В таком случае, если какие-то из бездействующих электронов успевают прыгнуть на первый этаж, они расталкивают своих взведенных столпившихся соседей и выталкивают на балкон, в результате чего каким-то электронам приходится упасть со второго уровня на первый. Оцените всю простоту и красоту этого явления: когда электроны неодима падают на этот раз, все падающие частицы попадают со второго уровня на первый одновременно и поэтому излучают свет одного и того же цвета. Такая когерентность – ключевое свойство лазера. Вся остальная аппаратура в лазерном устройстве нужна для очистки света и сглаживания лазера, лучи которого попеременно отскакивают от двух зеркал. Но к этому моменту неодимово-иттриевый кристалл уже справился со своей функцией – сгенерировал луч когерентного концентрированного света. Сила этих лучей такова, что они могут запустить термоядерную реакцию, а сфокусированы они так, что режут человеческую роговицу, не затрагивая остальные части глаза.
После такого описания читатель может подумать, что лазер скорее представляет собой техническое достижение, чем научное чудо. Тем не менее на этапе разработки в 50-е годы лазеры – и мазеры, которые исторически появились первыми, – были восприняты в научной среде с серьезным предубеждением. Чарльз Таунс вспоминает, что даже после того, как ему удалось сконструировать первую рабочую модель мазера, старшие коллеги устало смотрели на него и говорили: «Извините, Чарльз, но это невозможно». И ведь это были не профаны, не узколобые пораженцы, неспособные воспринять Новое Великое Открытие. И Джон фон Нейман, заложивший основы конструирования современных компьютеров (и современных атомных бомб), и Нильс Бор, который больше чем кто-либо сделал для объяснения принципов квантовой механики, отвергали мазер Таунса как «попросту невозможный».
Причина, по которой Бор и фон Нейман отвергали возможность существования лазера, очень проста: они забывали о дуализме света. Точнее, их дезориентировал знаменитый принцип неопределенности, действующий в квантовой механике. Поскольку этот принцип, сформулированный Вернером Гейзенбергом, так легко понять неправильно – но, с другой стороны, как только он понят, этот принцип становится важнейшим инструментом для создания новых форм вещества, – в следующем разделе я постараюсь прояснить эту небольшую загадку Вселенной.
Ничто так не восхищает эстетическое чувство физиков, как дуализм света, но есть и вернейший способ заставить физика вздрогнуть от отвращения: они терпеть не могут, когда кто-то пытается рассуждать о принципе неопределенности в ситуациях, где этот принцип совершенно неприменим. Чтобы вам ни говорили, он не имеет (почти [153] ) ничего общего с историей о наблюдателе, который изменяет вещь самим актом ее наблюдения. Суть этого принципа такова:
153
Теперь, чтобы немного смягчить эту категоричную формулировку, попробую объяснить, почему многие люди ошибочно трактуют принцип неопределенности и полагают, что, измеряя что-либо, мы тем самым изменяем измеряемое. Этот феномен называется эффектом наблюдателя. Фотоны света – пожалуй, самые крошечные инструменты, при помощи которых ученые могут зондировать предметы, но фотоны не слишком уступают по размеру электронам, протонам и другим элементарным частицам. Поэтому сталкивать фотоны с такими частицами и по скорости их отскакивания пытаться определить скорость и размеры зондируемых частиц – все равно что пытаться измерить скорость грузовика, врезавшись в него на микроавтобусе. Да, вы получите интересующую вас информацию, но непременно собьете грузовик с курса, которым он двигался. А во многих эпохальных экспериментах в истории квантовой физики при наблюдении спина, скорости или положения элементарной частицы сама реальность эксперимента зачастую изменяется непредсказуемым образом. Таким образом, можно утверждать, что для понимания любых происходящих при этом изменений необходимо учитывать принцип неопределенности. Но причина самих изменений заключается в эффекте наблюдателя – совершенно другом феномене. Скорее всего, люди путают два этих явления потому, что наше общество просто нуждается в метафоре вида «мы изменяем предмет уже самим фактом наблюдения этого предмета», а принцип неопределенности хорошо вписывается в такую метафору.