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

Вернемся к безрассудным людям, позволившим заманить себя в ведьмин круг, где они и танцуют свой нескончаемый танец. У каждого человека и у каждой феи есть карманные часы. Я знаю, о чем вы думаете: в тех редких случаях, когда людям, как рассказывают, удавалось вырваться из ведьмина круга, они возвращались домой через многие месяцы или годы после своего исчезновения, хотя им самим казалось, что прошло всего несколько часов. В этом месте время не имеет смысла; как же танцующие пары могут знать точное до секунды время? Но дело в том, что им не нужно, чтобы их часы показывали точное время, – им достаточно, чтобы часы показывали одинаковое время. Нужно только, чтобы карманные часы разных пар были синхронизированы. Пары договариваются о произвольном времени начала отсчета, устанавливают его с точностью до секунды – положения секундной стрелки – и запускают свои часы. Положение секундной стрелки часов изменяется так же циклически, как и фазы Луны; можно сказать, что пары случайным образом выбирают фазу (начальное угловое положение секундной стрелки), но если у какой-либо из пар она не совпадает с остальными, эта пара окажется рассинхронизированной с другими, что никак не годится для координированного хаоса ведьмина круга. Если часы какой-либо пары начнут отставать, пара быстро почувствует это, так как не будет успевать за всеми остальными; она вернется в такт с прочими, лишь подстроив свои часы соответствующим образом. В этом смысле все танцующие коллективно сопротивляются любым изменениям фазы, и поэтому коллективный танец обладает жесткостью: хотя начальная фаза была выбрана произвольно, изменить ее впоследствии очень трудно. Это в точности аналогично тому, как жесткость кристаллов придает им устойчивость к напряжению сдвига: фазовая жесткость сверхпроводников придает их сверхтокам устойчивость к потерям.

Такой танец спонтанного нарушения симметрии нам знаком: яйцо, поставленное на конец, падает только в одном направлении, выбирая его из всех возможных и нарушая вращательную симметрию, которой оно обладало до падения. Когда кристалл вырастает из жидкости, его атомы таким же образом выбирают одну конкретную точку из всех возможных. А когда из металла образуется сверхпроводник, куперовские пары выбирают для своей волновой функции одну фазу из всех возможных.

Тот факт, что все куперовские пары выбирают одну и ту же фазу, означает, что этой фазой может быть описан на повседневном масштабе весь сверхпроводник. В детстве меня восхищало именно это обстоятельство: сверхпроводимость и сверхтекучесть существуют в нашей срединной области – это свойства кусков вещества, которые вы можете взять в руки, если на них есть ваши (уже весьма поношенные) изолирующие перчатки. Но весь этот кусок вещества находится в одной и той же квантово-механической фазе; это квантовое безумие, увеличенное до наших масштабов благодаря магии жесткости.

Коллективная волновая функция сверхпроводников и сверхтекучих сред называется «когерентным состоянием». Как мы видели в главе V, когерентность наделяет квантовую систему способностью к магии. В этом есть одна восхитительная тонкость: сама по себе фаза квантовой волновой функции не имеет смысла, так как не может быть измерена в каком бы то ни было эксперименте. Смысл имеют только относительные сдвиги фаз разных волновых функций.

Как это согласуется с идеей о том, что сверхпроводимость возникает в результате выбора фазы? Вот как это происходит. Когда образуется сверхпроводник, он выбирает фазу относительно любого другого сверхпроводника во Вселенной. Это утверждение может показаться абстрактным, но оно поддается непосредственному измерению, и это измерение является одним из самых практических эффектов квантовой механики.

Джозефсоновские контакты

Существует простое устройство, измеряющее сдвиг фаз между двумя находящимися рядом друг с другом сверхпроводниками. Оно называется джозефсоновским контактом и имеет много практических применений. Помните, как в главе VI я говорил, что измерения магнитных монополей, которые проводила Ритика Дусад, были самыми чувствительными из когда-либо выполненных измерений магнитного потока? Так вот, в приборе, который она построила, использовался сверхпроводящий квантовый интерферометр, он же SQUID. Это устройство представляет собой всего лишь два джозефсоновских контакта, замкнутых в кольцо. Джозефсоновские контакты также используются для самых точных из когда-либо проводившихся измерений электрического заряда: величину вольта раньше определяли на основе измерений, выполненных при помощи джозефсоновского контакта. Вскоре они станут стандартными средствами регистрации изображений в астрономии и астрофизике; кроме того, именно они, вероятно, будут использоваться для практической реализации кубитов в квантовых компьютерах. Когда вы думаете о квантовом компьютере, воображаете ли вы угрожающего вида золотистого кальмара, свисающего с потолка? Если да, ваш воображаемый квантовый компьютер, вероятно, построен на основе джозефсоновских контактов.

Что же это такое?

Джозефсоновский контакт устроен очень просто. Это всего лишь два близко расположенных сверхпроводника, между которыми имеется узкий зазор, не обладающий сверхпроводимостью. Но получается из этого нечто магическое. Когда это явление было открыто, в него – как в любую порядочную магию – мало кто мог поверить. Его предсказал в 1962 году двадцатидвухлетний теоретик Брайан Джозефсон. Ставший впоследствии двукратным нобелевским лауреатом Джон Бардин, которому принадлежит буква Б в аббревиатуре БКШ, публично отрицал правильность предсказания Джозефсона, но уже в течение года они были подтверждены экспериментально, а в 1973 году Джозефсон в свою очередь тоже получил Нобелевскую премию. Эффект этот заключается в следующем: если поместить два сверхпроводника друг рядом с другом, между ними спонтанно возникает электрический ток. Если приложить напряжение, ток начинает менять направление течения между двумя сверхпроводниками с частотой, пропорциональной этому напряжению.

Вспомним танцующих в ведьмином круге посреди пустыни, движения которых координируются с точностью до секунды по карманным часам. Представим себе, что поблизости есть еще один ведьмин круг, в котором танцуют такой же танец. Время от времени одна из пар, не переставая танцевать, пересекает промежуток между кругами, попадая из одного в другой. Уже одно это достаточно странно, так как этот танец не должен существовать вне круга. Но это не самое странное. Хотя в обоих кругах находится одинаковое количество танцующих и они танцуют один и тот же танец, в результате получается чистый отток из одного круга и чистый приток в другой. Как такое может быть, если танцы одинаковы? Разве между ними нет абсолютной симметрии?

Дело тут вот в чем. Все танцующие в каждом из кругов установили на своих часах одно и то же произвольно выбранное начальное время – одну и ту же фазу. После этого танцующие жестко поддерживают выбранную фазу. Однако, поскольку она выбирается случайным образом, эта коллективная фаза, вероятно, будет разной в разных кругах. Часы танцующих в одном круге были синхронизированы раньше, чем часы танцующих в другом, что нарушает симметрию между кругами.

Я