Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

и порождают их квантовые флуктуации. Помните критические точки – особые условия, при которых материя становится масштабно инвариантной, что приводит к соответствующим чудесам? Так вот, существуют и квантовые критические точки, и они чрезвычайно интересуют тех, кто занимается физикой конденсированного состояния, потому что они, по-видимому, сопровождают многие из самых экзотических и важных состояний вещества.

Мне хотелось бы дать более точное определение тому, что я называю квантовыми флуктуациями. В некотором смутном смысле они – то самое загадочное нечто, которое отличает квантовые теории от классических; кроме того, они касаются виртуальных частиц, определяющее свойство которых состоит в том, что их невозможно наблюдать непосредственно. Но есть и точный технический смысл, в котором квантовые флуктуации присутствуют в теоретической физике. Некоторые физики предпочитают называть их квантовыми поправками, потому что флуктуация предполагает изменения во времени, а это не так. Философская основа этого понятия такова. Нам приходится работать с квантовым полем, потому что это дает наиболее точную модель экспериментальных наблюдений. Однако мы привыкли считать мир классическим; поэтому мы считаем квантовое поле классическим, но требующим внесения математических поправок. В классическом описании электрон движется как бильярдный шар; квантовая поправка может вводить испускание электроном фонона и последующее его поглощение тем же электроном, что соответствует виртуальному взаимодействию между электроном и вибрациями кристаллической решетки. Такие процессы невозможно увидеть; виртуальные процессы по определению неизмеримы. Кроме того, они не происходят в конечных временных промежутках, так как поправки присутствуют независимо от того, сколько времени проходит между измерениями. Тем не менее они могут влиять на свойства электрона: они изменяют классическое поведение так, что электрон ведет себя в соответствии с точным квантовым описанием. Вероятно, проще всего думать о них, придерживаясь принципа Мермина – «заткнись и считай», – так как квантовые поправки – это необходимый промежуточный этап математических вычислений. Если они и соответствуют какой-либо осязаемой физической реальности, мы этого пока что полностью не понимаем.

Неизмеримые виртуальные частицы, подобные испускаемым и поглощаемым фононам, могут обладать странными свойствами, невозможными для частиц измеримых. Они могут не подчиняться формуле Эйнштейна, E = mc2; именно в этом смысле лучше всего работает аналогия между флуктуациями квантовыми и флуктуациями тепловыми: квантовое состояние представляют классическим, но с поправками, которые создают виртуальные частицы с разными энергиями. В качестве аналогии можно сказать, что в веществе, находящемся при некоторой температуре, могут быть флуктуирующие области с разными энергиями. Но эта аналогия обманчива: тепловые флуктуации представляют собой колебания во времени, а в отношении квантовых флуктуаций это неверно. На самом деле все наоборот: самое лучшее описание материи на мельчайших масштабах – это описание не классическое, а квантовое. Если смириться с этим фактом, квантовые флуктуации уже не будут нужны, кроме как в качестве одного из этапов вычислений. Тогда становится ясно, что классический мир, в котором мы живем, возникает из мира квантового.

Квантовая механика всегда будет центральным элементом физики конденсированного состояния, а квантовой теории поля всегда найдется естественное место в исследованиях материи.

Наш эмерджентный мир

Современная физика – это квантовая теория поля, объединение идей, высказанных Эйнштейном в 1905 году. Как оказалось, даже при изучении отдельной частицы логика требует допускать существование великого множества других частиц. Некоторые из них – виртуальные частицы, в принципе не поддающиеся наблюдению; так Луна притягивает к себе океаны, когда никто не смотрит. Другие – реальные промежуточные частицы, распадающиеся так быстро, что их невозможно увидеть. Когда открывают новую элементарную частицу – например бозон Хиггса, – ее не измеряют непосредственно; вместо этого измеряют другие частицы, на которые она распадается. То же справедливо и в отношении физики конденсированного состояния: хотя многие эмерджентные квазичастицы не могут существовать вне материалов, в которых они обитают, измерительные приборы, находящиеся вне этих материалов, все же измеряют влияние таких квазичастиц.

Как элементарные частицы, так и эмерджентные квазичастицы описываются квантовыми полями. Хочется заявить, что только элементарные частицы «реальны», а эмерджентные квазичастицы – это всего лишь удобная условность для описаний коллективного поведения, но на самом деле и те и другие описывают один и тот же математический аппарат. Более того, идею о необнаруженных элементарных частицах, летающих в космическом вакууме, невозможно исследовать научными методами: каждая частица, которую мы измеряем, неизбежно взаимодействует с веществом, из которого состоит детектор. Микроскопический мир, из которого возникает наш собственный, противоречит здравому смыслу – но разве у нас есть основания полагать, что он должен ему соответствовать?

При всей его таинственности в квантовом мире на самом деле есть всего два явления, не имеющие классических аналогов. Первое состоит в том, что, когда бы вы ни стали искать частицу, вы всегда находите ее в одном конкретном месте; дискретные результаты измерений и дали квантовой физике ее название. Хотя в нашей срединной области такая дискретность привычна, в мире квантовой суперпозиции она становится чудом. Второе явление – это квантовая запутанность, о которой мы поговорим в главе VII.

Появившиеся в 1905 году первые искры квантовой механики разожгли пламя, которое в конце концов привело нас к современному пониманию материи. В этом месте книги мы переходим от прошлого к настоящему и будущему. Поэтому мы сосредоточимся на еще идущих исследованиях – заклинаниях, которые только пишутся.

VI

Заклинания деления

Оставаясь на маленьком пятачке спокойствия посреди лихорадочных метаний библиотечных стеллажей, Вериана продолжала читать забытую историю мира.

Все узлоделы принадлежат к одному и тому же клану. Они – главные историки, архивисты, счетоводы и учетчики мира. Если другие передают мирскую мудрость из поколения в поколение в изустных преданиях или письменных документах, то узлоделы знают способ зашифровывать знания в виде переплетенных нитей. Для ясности такие конструкции можно называть не узлами, как все остальные узлы, а сплетениями. Узлодела, работающего историком, именуют мастером сплетений – как и любого узлодела, искусного в использовании сплетений. В каждом сплетении содержится основная центральная петля, от которой отходят в радиальных направлениях многочисленные нити. К этим радиальным нитям могут быть привязаны другие, меньшие нити, на каждой из которых бывает завязано множество разных узлов.

Хотя сплетения могут использоваться для хранения численных записей, на более высоком уровне их применяют для кодирования языка. Мастер сплетений читает сплетение, приписывая каждому типу узлов свой звук; так, проводя пальцем по нитям, он может прочитать вслух всю фразу. Рисунок узлов на нити также указывает, какие вторичные нити следует прочесть и в каком порядке; таким образом, узлы можно считать своего рода пунктуационными знаками. Однако сплетение превосходит письменное слово, когда вторичными нитями соединяют две