Часть V. Наука об элементах сегодня и завтра

 

Глубоко ниже нуля

 

Рентген не только показал пример великолепного и тщательного научного исследования. Он также напомнил коллегам о том, что в периодической системе то и дело обнаруживаются новые сюрпризы. Даже сегодня мы то и дело узнаем об элементах что-то совершенно новое. Но большинство «легких» открытий ко времени Рентгена уже было совершено, для обнаружения новых элементов требовалось проявить немалую изобретательность. Ученым приходилось «допрашивать» вещества в крайне жестких условиях – особенно под действием сильнейшего холода, который гипнотизирует элементы и заставляет их вести себя необычно. Экстремальный холод не предвещает ничего хорошего и для людей, стремящихся к новым открытиям. К 1911 году достойные последователи Льюиса и Кларка уже успели исследовать бо́льшую часть Антарктики, но нога человека еще ни разу не ступала на Южный полюс. Это неизбежно привело к бескомпромиссной гонке между выдающимися исследователями, желавшими побывать там первыми. Именно эта гонка и привела к мрачной и назидательной истории о том, какие сюрпризы подбрасывает химия при экстремально низких температурах.

Тот год выдался холодным даже по антарктическим меркам, но несколько белокожих англичан во главе с Робертом Скоттом все равно решили сделать все, чтобы достичь отметки 90° южной широты. Они заготовили припасы, снарядили собачьи упряжки – и караван двинулся к цели от антарктического побережья. Большинство участников экспедиции были своеобразной «группой поддержки» – они предусмотрительно оставляли на пути пайки с едой и запасы топлива. Это делалось, чтобы небольшая команда, которая совершит последний рывок к полюсу, смогла воспользоваться всем этим на обратном пути.

Постепенно караван редел, и наконец после пешего пути, занявшего не один месяц, группа из пяти человек под руководством Скотта дошла до Южного полюса в январе 1912 года. Там они обнаружили коричневую палатку, норвежский флаг и издевательски дружелюбное письмо. Скотт проиграл гонку Руалу Амундсену, чья группа пришла к Южному полюсу месяцем ранее. В тот момент Скотт коротко написал у себя в дневнике: «Произошло худшее или почти худшее… Это огромное разочарование». А несколько позже – такая запись: «Великий боже! это ужасное место… Теперь мы побежим домой, и впереди ждет отчаянная борьба. Гадаю: справимся ли?»

Скотт и его спутники были страшно подавлены, а обратный путь в любом случае обещал ста нелегким. Но Антарктика, казалось, бросила все силы, чтобы покарать и добить этих людей. На протяжении многих недель им приходилось брести в сильнейшем муссоне, заваливавшем их снежными хлопьями. Из дневников экспедиции (открытых позже) стало известно, что путникам пришлось переносить голод, цингу, обезвоживание, обморожение и гангрену. Самой убийственной бедой было отсутствие топлива. Годом ранее Скотт путешествовал по Арктике и обнаружил, что кожаная оплетка, которой полярники предохраняли канистры с керосином, сильно протекает. Экспедиция вполне могла потерять в пути половину горючего. Перед тем как отправиться на Южный полюс, группа Скотта пробовала запечатывать канистры оловосодержащим и чистым оловянным припоем. Но когда изнуренные мужчины добрались до склада канистр, оставленного для обратного пути, они обнаружили, что многие баки пусты. В довершение всего, часть керосина попала в провиант и испортила его.

Без керосина путешественники не могли готовить еду и растапливать лед для питья. Один участник экспедиции заболел и умер. У другого от холода помутился рассудок, и он куда-то ушел из лагеря. Оставшиеся трое, включая Скотта, брели дальше. Считается, что они погибли от обморожения в конце марта 1912 года, не дойдя до британской базы всего 18 километров.

В свое время Скотт был такой же культовой фигурой, как Нейл Армстронг[147]. Британцы горестно встретили новость о его гибели, в 1915 году в одной церкви даже были установлены витражи в его честь. Конечно, люди всегда пытались отыскать какую-то уважительную причину, которая оправдала бы его неудачу, и периодическая система подсказала того «злодея», который мог погубить Скотта. Олово, которое Скотт использовал для запечатывания канистр, ценилось с библейских времен, так как этот металл очень ковкий. По иронии судьбы, чем бо́льших успехов достигала металлургия в добыче и очистке олова, тем хуже этот металл вел себя в повседневном использовании. Когда инструменты, монеты и даже игрушки из чистого олова замерзают, их начинает разъедать беловатая «ржавчина», похожая на морозные узоры на окне. Это вещество постепенно образует пузырьки, которые проникают в олово и крошат его, пока оно не рассыпается в пыль.

В отличие от железной ржавчины, это вещество образуется без каких-либо химических реакций. Сегодня ученым уже известна причина такого явления: дело в том, что в твердом агрегатном состоянии атомы олова могут упорядочиваться двумя способами. При сильном морозе металл переходит из крепкой «бета»-формы в хрупкую и рассыпчатую «альфа»-форму. Чтобы представить себе разницу, вообразите, что атомы олова – это апельсины, сложенные в огромном деревянном ящике. На дне ящика лежит слой шарообразных плодов, которые соприкасаются лишь вскользь. Для заполнения второго, третьего и последующих слоев можно положить каждый атом прямо на другой атом, расположенный уровнем ниже. Это первая кристаллическая структура. Другой вариант – уложить второй слой атомов в промежутки между атомами первого, потом в третьем слое так же положить атомы в промежутки, оставшиеся во втором, и так далее. Получается вторая кристаллическая структура, с иной плотностью и иными свойствами, нежели первая. И это всего лишь два из многих способов уложить много слоев соприкасающихся атомов.

Люди Скотта, вероятно, поняли на собственном опыте, что атомы металла могут спонтанно перегруппировываться из крепкой кристаллической формы в рассыпчатую и наоборот. Обычно для такого изменения структуры требуются экстремальные условия. Так, под океанским дном существуют такие высокие температуры и такое давление, при которых из графита образуются алмазы. Олово меняет структуру уже при 13,33 °C. Даже в прохладный октябрьский вечер в олове может начаться переход в зернистое состояние и нарастание белой ржавчины, при более низких температурах этот процесс ускоряется. При неосторожном обращении или деформации (как в случае с канистрами, которые просто сбрасывали с саней на слежавшийся лед) реакция может ускоряться, в результате чего повреждается даже незаржавевшее олово. Причем такое воздействие не ограничивается местным дефектом, скажем, образованием поверхностной трещины. Такую деформацию иногда называют «оловянной чумой», так как разрушение проникает внутрь металла, подобно заразной болезни. При таком переходе между состояниями может даже выделяться существенное количество энергии, что сопровождается скрежетом. Его образно называют «оловянным криком», хотя звук больше напоминает радиопомехи.

Переход олова из одного состояния в другое был хорошо известен и на протяжении истории служил удобным оправданием всевозможных бед, «химическим козлом отпущения». В некоторых европейских городах, для которых характерны суровые зимы (например, в Санкт-Петербурге), ходят легенды о дорогих оловянных трубах, которые устанавливали в новые церковные органы. Якобы такие трубы могли рассыпаться в пыль, стоило органисту взять первый аккорд. Некоторые набожные граждане даже усматривали в этом козни дьявола. Более серьезные исторические последствия этого явления имели место, например, в начале XIX века, когда Наполеон опрометчиво вел военную кампанию в России холодной зимой 1812 года. По некоторым свидетельствам (оспариваемым многими историками) оловянные застежки на кителях французов просто рассыпались под сильным ветром, из-за чего солдаты фактически оставались в одном нижнем белье. Как и небольшой отряд Скотта, столкнувшийся в Антарктиде с экстремальными погодными условиями, французская армия оказалась в России в незавидном положении. Возможно, коварные свойства пятидесятого элемента, превращающегося из металла в порошок, лишь усугубили ситуацию, но всегда проще увязать неудачу с роковым естественным фактором, а не с тем, что герой оказался непредусмотрителен[148].

Можно не сомневаться, что отряд Скотта обнаружил пустые канистры – в конце концов, это написано в их дневниках, – но тот факт, что это произошло из-за распада оловянного припоя, до сих пор оспаривается. Оловянная чума действительно могла быть причиной катастрофы, но спустя десятилетия после других экспедиций удавалось найти их канистры, оловянное покрытие которых отлично сохранилось. Скотт действительно использовал сравнительно чистое олово, но вряд ли оно оказалось настолько чистым, чтобы чума поразила весь припой до основания. В любом случае, не существует никакого другого убедительного объяснения, кроме специально устроенной диверсии, свидетельства насильственной смерти также отсутствуют.

Так или иначе, группа Скотта погибла во льдах, и гибель смельчаков как минимум отчасти связана с особенностями химических элементов.

Когда вещество замерзает и переходит из одного состояния в другое, с ним могут происходить причудливые метаморфозы. В школе мы изучаем всего три агрегатных состояния материи: твердое, жидкое и газообразное. В старших классах вам могли рассказывать и о четвертом агрегатном состоянии. Это плазма, возникающая в звездах при сверхвысоких температурах. В состоянии плазмы электроны покидают свои атомные оболочки и отправляются в свободное плавание[149]. В университете студенты узнают о сверхпроводимости, а также о сверхтекучести, наблюдаемой в жидком гелии. В аспирантуре профессора иногда озадачивают слушателей такими сложными состояниями, как кварк-глюонная плазма или вырожденное вещество. Между тем, некоторые умники любят спрашивать: почему желе не является самостоятельным агрегатным состоянием вещества? Хотите, отвечу? Дело в том, что коллоиды вроде желе представляют собой смеси двух агрегатных состояний[150]. Смесь воды и желатина может считаться и крайне пластичным твердым телом, и очень вязкой жидкостью.

Но дело в том, что во Вселенной вещества могут существовать в гораздо более разнообразных состояниях – с другими принципами упорядочивания частиц на микроуровне, чем мы можем представить себе в наших привычных категориях «твердое тело-жидкость-газ». И такие состояния не являются гибридными, в отличие от желе. Альберт Эйнштейн открыл одно из таких новых состояний в 1924 году, в ходе тщательного изучения некоторых уравнений квантовой механики. Позже он отверг собственные расчеты и отказался поверить в это теоретическое открытие, поскольку гипотетическое состояние вещества показалось ему слишком странным, чтобы существовать в реальности. Оно так и оставалось невозможным вплоть до 1995 года, пока такое состояние не удалось создать искусственно.

Можно утверждать, что твердое состояние материи является основным. Если быть предельно точным, то следует признать, что практически весь объем каждого атома пребывает пустым в каждый момент времени, но из-за крайне быстрого движения электронов атом приобретает иллюзорную твердость – по крайней мере, мы его воспринимаем твердым. В твердых телах атомы располагаются в виде регулярных трехмерных кристаллических решеток, но даже в самых обычных твердых веществах обычно существуют кристаллы сразу нескольких типов. В настоящее время ученые могут придавать кристаллам льда четырнадцать различных кристаллических форм, обрабатывая его в камерах высокого давления. Некоторые виды льда тонут в воде, а не всплывают, а другие кристаллические формы замерзшей воды выглядят не как шестиугольные снежинки, а напоминают пальмовые листья или кочаны цветной капусты. Существует поразительная форма льда, которая тает только при 2037 °C! Даже такие сложные и многосоставные химические вещества, как шоколад, способны образовывать квазикристаллы, которые могут изменять форму. Вам когда-нибудь доводилось разворачивать плитку шоколада и обнаруживать, что она приобрела неаппетитный желтоватый оттенок? В данном случае мы имеем дело со своеобразной «шоколадной чумой», подобной той, что испортила оловянный припой и обрекла на гибель команду Скотта в Антарктике.

Кристаллические формы твердых веществ лучше всего образуются при низких температурах. Если температура опустится достаточно сильно, то хорошо известные элементы могут стать практически неузнаваемыми. Даже практически инертные благородные газы, переходя в твердое агрегатное состояние, могут пойти на связь с другими элементами. Канадский химик Нейл Бартлетт смог опровергнуть существовавшую десятилетиями догму и синтезировал первое соединение благородного газа (ксенона), представляющее собой твердый оранжевый кристалл. Это произошло в 1962 году[151]. Следует оговориться, что реакция протекала при комнатной температуре, но в таких условиях ксенон реагирует только с гексафторидом платины – веществом не менее едким, чем суперкислота. Кроме того, из всех стабильных инертных газов ксенон обладает самыми крупными атомами и реагирует гораздо легче, чем другие подобные газы, поскольку его внешние электроны не так крепко связаны с ядром. Чтобы заставить реагировать более легкие благородные газы, чьи атомы значительно более компактны, приходится радикально понизить температуру и практически обездвижить эти атомы. Криптон вступает в реакцию лишь при температуре около -151 °C, когда сверхагрессивный фтор может к нему подступиться.

Но запустить реакцию в криптоне было не сложнее, чем смешать соду с уксусом, если сравнить эту задачу с отчаянными попытками вовлечь в химические реакции аргон. После того как в 1962 году Бартлетт получил соединение ксенона, а в 1963-м – твердые вещества, содержавшие криптон, прошло еще тридцать семь долгих лет, прежде чем финским ученым удалось создать условия для реакции с аргоном. Это произошло в 2000 году. Эксперимент был сравним по филигранности с произведением Фаберже, для него потребовалось перевести аргон в твердое состояние. Еще в реакции участвовали газообразный фтор, газообразный водород, а также суперактивный компонент-затравка – йодид цезия, который и запускал реакцию. Наконец, потребовались тщательно хронометрированные импульсы ультрафиолетового света и невообразимый холод в -265 °C. Как только становилось немного теплее, соединения аргона распадались.

Тем не менее ниже этой температуры гидрофторид аргона – вполне устойчивый кристалл. Финские ученые объявили о своем достижении в статье, название которой было исключительно незатейливым для такой научной работы: «Стабильное соединение аргона». Сам факт получения этого соединения был достаточным поводом для гордости. Ученые уверены, что даже в самых холодных уголках космоса миниатюрные гелий и неон никогда не образуют соединения с другими элементами. Поэтому в настоящее время аргон остается самым неуступчивым элементом, соединение которого все-таки удалось получить человеку.

Учитывая, насколько аргон не любит изменять своей природе, получение такого вещества, конечно, было огромным научным достижением. Тем не менее ученые не считают соединения благородных газов и даже необычную форму олова, возникающую в результате альфа-бета перехода, самостоятельными агрегатными состояниями вещества. Новое агрегатное состояние требует наличия принципиально иного уровня энергии, при котором принципы взаимодействия атомов существенно изменяются. Именно поэтому твердые тела, в которых (почти) все атомы неподвижны, жидкости, в которых частицы могут обтекать друг друга, а также газы, частицы которых свободно перемещаются в любом направлении, действительно являются разными агрегатными состояниями вещества.

При этом между газами, жидкостями и твердыми телами есть немало общего. Во-первых, их частицы являются цельными и отдельными друг от друга. Но такая независимость превращается в анархию, если разогреть вещество до состояния плазмы, в котором атомы начинают распадаться. Если же сильно охладить вещество, то в нем складываются ансамбли, в которых частицы начинают слипаться самыми причудливыми способами.

Возьмем, к примеру, сверхпроводники. Электричество представляет собой поток электронов, возникающий в цепи. В медном проводе электроны бегут от одного атома к другому, обтекают их, а когда какие-то электроны попадают внутрь атомов, провод нагревается и теряет энергию, отдаваемую в виде тепла. Очевидно, в сверхпроводниках подобного рассеивания энергии почему-то не происходит, так как электроны, бегущие между атомами сверхпроводящего вещества, никогда не иссякают.

На самом деле, ток может сохраняться в сверхпроводнике практически вечно, если вещество остается охлажденным до нужной температуры. Это свойство было впервые обнаружено в 1911 году в образце ртути, охлажденной примерно до -277 °C. В течение десятилетий большинство ученых придерживалось такой точки зрения на сверхпроводимость: у электронов в подобном состоянии просто появляется больше места для маневра. Атомы в сверхпроводящем состоянии практически не имеют энергии на вибрацию, поэтому между ними сохраняются более стабильные коридоры, по которым могут бежать электроны, ни с чем при этом не сталкиваясь. Это объяснение является относительно верным, но лишь в 1957 году трое ученых смогли выяснить, что при таких низких температурах метаморфозы происходят с самими электронами.

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 бежали через все поле – такой летящий косяк электронов. На микроуровне это состояние приводит к сверхпроводимости, при которой миллиарды миллиардов электронов действуют точно так же.

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.

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 несогласованности во времени, ограничивая количество «этажей», на которых может останавливаться «лифт». Аналогичные устройства, мазеры, действуют точно так же, но они генерируют невидимый свет. Самые мощные современные лазеры порождают сверхмощные лучи, которые в долю секунды выдают больше энергии, чем все электростанции Соединенных Штатов. В таких лазерах используются кристаллы иттрия, начиненные неодимом. Внутри лазерного устройства стробирующий световой импульс завивается вокруг неодимово-иттриевого кристалла и проблескивает исключительно быстро с невероятно высокой интенсивностью. Такое впрыскивание света возбуждает электроны в неодиме и заставляет их прыгать гораздо выше, чем это бывает в естественных условиях. Ну, как будто они подпрыгивают с первого прямо на десятый этаж. Испытывая «головокружение», они сразу же падают обратно на безопасный уровень – скажем, на второй этаж. Но в отличие от естественных переходов электроны настолько возбуждены, что изменяют свое поведение и испускают избыточную энергию уже не в виде света, а в виде тепла. Очутившись на надежном втором этаже, они «с облегчением» покидают лифт и остаются на втором этаже, не торопясь вернуться на первый.

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:

 

∆х ∆р ≥ h/4π

 

Вот и все.

Теперь, если попытаться перевести это с квантово-механического на человеческий язык (что априори рискованно), то это уравнение читается так: произведение неопределенности положения частицы (Ах) и неопределенности ее скорости и направления движения (ее импульса, Ар) всегда будет больше или равно значению «h, деленному на 4л», где h обозначает постоянную Планка. Постоянная Планка – это чрезвычайно маленькое число, примерно в сто триллионов раз меньше единицы, поэтому принцип неопределенности применяется лишь к сверхмалым предметам – например, к электронам или фотонам. Иными словами, если вы совершенно точно знаете положение частицы, то не можете с определенностью установить ее импульс, и наоборот.

Обратите внимание: данная неопределенность не имеет ничего общего с неточными измерениями, которые могут получиться, если пользоваться плохой линейкой. Это неопределенность, неотъемлемая от нашего мироздания. Давайте вновь вспомним о переменчивой природе света, который ведет себя то как частица, то как волна. Отвергая возможность существования лазера, Бор и фон Нейман не вполне понимали, в каких ситуациях проявляется волновая, а в каких – корпускулярная природа света. В их времена лазер казался столь точным и сфокусированным источником энергии, что неопределенность положения фотонов в нем должна была практически отсутствовать. Это означало, что неопределенность импульса должна была быть настолько огромной, что фотоны разлетались бы с любой энергией в любом направлении, а это, казалось бы, противоречило идее плотного сфокусированного луча.

Они забывали, что свет может вести себя и как волна, а движение волн определяется другими законами. Во-первых, как можно узнать, где находится волна? Природа волны такова, что она одновременно распространяется во всех направлениях – а это сама неопределенность. Кроме того, в отличие от частиц, одни волны могут поглощать другие и объединяться друг с другом. Если бросить два камня в пруд, то самые большие волны возникнут там, где сойдутся круги от них. Ведь именно эта маленькая область будет получать энергию от волн, идущих с двух сторон одновременно.

В случае с лазером речь идет не о двух, а о триллионах триллионов «камней» (то есть электронов), запускающих волны света, которые постоянно смешиваются друг с другом. Важно понять, что принцип неопределенности неприменим к множествам частиц, а только к отдельно взятым частицам. В луче света, который как раз представляет собой множество частиц, мы не можем сказать, где находится любой отдельно взятый фотон. А при такой огромной неопределенности положения фотона внутри луча мы можем очень, очень точно направить его энергию, превращая свет в лазер. Такую лазейку очень сложно использовать, но, если овладеть ею, она дает человеку огромную силу. Именно поэтому журнал Time отметил заслуги Таунса, назвав его в 1960 году одним из «людей года» (в одном ряду с Полингом и Сегре). В 1964 году Таунс был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу над мазером.

Вскоре ученые осознали, что в эту лазейку вписываются не только фотоны. Поскольку для света характерен корпускулярноволновой дуализм, чем глубже вы проникаете в структуру протонов, электронов и других условно твердых частиц и анализируете их, тем более «рыхлыми» они становятся. Вещество на своем глубочайшем, самом загадочном квантовом уровне является неопределенным и волноподобным. А поскольку на такой глубине принцип неопределенности уже является математическим законом, определяющим, как должны пролегать границы между волнами, образующие их частицы также подчиняются принципу неопределенности.

 

∆х ∆р ≥ h/4π

 

Опять же, это уравнение справедливо только в микроскопических масштабах, где значение постоянной Планка (которая, как мы помним, в триллионы триллионов раз меньше единицы) не является пренебрежимо малым. Физики не любят, когда кто-то пытается экстраполировать такие принципы на человеческий макромир и утверждает, что, «согласно принципу неопределенности», мы действительно не можем наблюдать какой-либо предмет, не изменяя его при этом. Эвристически развив эту мысль, некоторые даже решаются утверждать, что объективной реальности не существует и что ученые лишь занимаются самообманом, считая, что «все знают». На самом деле, есть всего один пример того, как принцип неопределенности Гейзенберга, действующий на наноуровне, отражается в нашем макромире. Речь идет о том самом экзотическом состоянии вещества, о котором я обещал рассказать выше. Оно называется конденсатом Бозе – Эйнштейна (БЭК).

История открытия этого состояния вещества восходит к 1920-м, когда Шатьендранат Бозе, упитанный индийский физик в очках, допустил ошибку, разбирая на лекции уравнения квантовой механики. Это был грубый просчет, простительный разве что студенту, но именно он и пробудил в Бозе интерес к проблеме. Не догадываясь поначалу об ошибке, он довел вычисления до конца, с удивлением убедившись, что его «неправильные» ответы поразительно хорошо согласуются с наблюдаемыми свойствами фотонов – даже лучше, чем «верная» теория[154].

Бозе решил поступить именно так, как в течение многих веков до него поступали другие физики: предположил, что его ошибочный результат на самом деле является верным, но почему так происходит – непонятно. И написал об этом научную статью. Из-за кажущейся ошибки, а также из-за того, что многие редакторы считали его «неграмотным индусом», все ведущие европейские научные журналы отвергли эту статью. Бозе, не растерявшись, послал статью самому Альберту Эйнштейну. Эйнштейн внимательно ее изучил и пришел к выводу, что предложенное Бозе решение является очень проницательным. Гипотеза Бозе сводилась к тому, что фотоны могут плотно слипаться друг с другом до тех пор, пока отдельные частицы в этом «комке» не станут неразличимы. Эйнштейн подправил статью, перевел ее на немецкий, а потом расширил работу Бозе до новой статьи, в которой рассмотрел, как такой принцип «слипания» работает уже не с фотонами, а с целыми атомами. Воспользовавшись своим научным авторитетом, Эйнштейн добился, чтобы обе статьи были опубликованы рядом.

В этой объединенной работе Эйнштейн добавил пассаж, что если охладить атомы до крайне низких температур – намного ниже, чем до состояния сверхпроводимости, то они конденсируются с переходом в новое агрегатное состояние. Тем не менее задача охлаждения атомов до столь низких температур превосходила технические возможности начала XX века, так что даже дальновидный Эйнштейн не стал всерьез рассматривать такую возможность. Он считал описанный им конденсат лишь любопытной теоретической возможностью. Поэтому особенно поразительно, что ученым удалось наблюдать вещество в состоянии БЭК всего лишь через десять лет, когда было открыто явление сверхтекучести гелия. В таком жидком гелии небольшие группы атомов слипались вместе. Электронные пары Купера в сверхпроводниках также отчасти напоминают БЭК. Но такое связывание в сверхпроводниках и сверхтекучих жидкостях проявлялось в ограниченном объеме. Более того, Эйнштейн представлял себе это состояние вещества совсем иначе – как очень холодный разреженный туман. Тем не менее ни создатели жидкого гелия, ни ученые из группы BCS даже не пытались подстроиться под гипотезу Эйнштейна. Об агрегатном состоянии БЭК не удалось узнать ничего нового вплоть до 1995 года, когда двое умных ученых из Университета штата Колорадо получили вещество, которое можно было назвать «газом из рубидиевых атомов» (газообразным рубидием).

Примечательно, что важнейшим техническим средством, которое помогло достичь состояния БЭК, был лазер. Принцип работы лазера основан на тех идеях о природе фотонов, которые впервые высказал Бозе. Это может показаться нелогичным, ведь обычно лазер разогревает тела. Но лазер вполне может и охлаждать атомы, если уметь правильно с ним обращаться. На базовом наноскопическом уровне температура определяется только средней скоростью движения частиц. Горячие молекулы постоянно сталкиваются друг с другом, а холодные еле движутся. Поэтому, чтобы охладить какое-либо тело, нужно максимально замедлить его частицы. При лазерном охлаждении ученые пересекают несколько лучей. Подобно охотникам за привидениями, они создают ловушку из «оптической патоки». Когда разреженные атомы рубидиевого газа проходили через оптическую патоку, лазеры бомбардировали их протонами малой интенсивности. Атомы рубидия гораздо массивнее и

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: