Страница 7 из 8
Наблюдая это природное явление, Фейнман придумал гипотезу, объясняющую его. Однако, будучи добросовестным ученым, он придумал и эксперимент, позволяющий проверить эту гипотезу на практике. Муравьи попадали в дом через щель у окна и вначале оказывались на подоконнике. Он подвесил кусочек сахара на нитке, чтобы уменьшить вероятность того, что какой-нибудь муравей наткнется на него случайно. Затем он положил на подоконник клочок бумаги. Каждый раз, когда на бумаге оказывался муравей, он подносил бумагу к сахару. Каждый раз, когда муравей слезал с сахара обратно на этот бумажный паром, Фейнман возвращал его на подоконник. Муравьи очень быстро начали передвигаться по прямому пути к бумажному парому, переезжать на нем к сахару, а затем возвращаться на паром и далее в муравейник. Это подтверждало справедливость гипотезы о том, как муравьи выбирают свои маршруты.
Ни один отдельный муравей не понял, как использовать паром: эта идея возникла из совокупности муравьев, коллективно. В дикой природе наблюдали, как муравьи, сцепляясь друг с другом, образуют мосты через расселины шириной в десять или двадцать муравьиных тел. С другой стороны, их поведение иногда бывает ошибочным: иногда можно видеть, как огромные количества муравьев-солдат образуют «смертельные круги» – они ходят друг за другом по кругу, пока в конце концов не умрут от истощения сил. Выяснение того, как такое сложное поведение возникает на основе простых правил, открывает перспективы разнообразных приложений, от «роевой робототехники» (простых роботов, работающих совместно без руководителя) и нанотехнологий до «программируемой материи» (молекулы которой можно «научить» изменять положение для образования требуемой конфигурации). Одной из главных тем исследований в области информатики являются искусственные нейронные сети, позволяющие компьютеру распознавать образы, используя коллективную работу многочисленных простых процессов, – подобно нейронам мозга. Во всех этих случаях речь идет о крупномасштабном сложном поведении, объяснимом в терминах более простых составляющих меньшего масштаба, но не сводимом к ним одним.
Однако самый классический пример, возможно, дает именно то, что интересует нас в этом исследовании больше всего, – сама материя.
Состояния материи хорошо описал греческий философ Эмпедокл, предположивший, что все на свете состоит из сочетаний классических «стихий» (элементов) – земли, воздуха, огня и воды. Поразительно сходные теории материи существовали и во многих других культурах, в том числе в Древней Индии, Египте, Вавилоне и Тибете, а также в индуизме и буддизме.
На самом деле эта идея, возможно, зародилась в Западной Персии. От названия зороастрийских жрецов – магов, занимавшихся эзотерическими исследованиями в алхимии, астрологии и астрономии, – произошли слова, обозначающие магию во многих языках. Логично предположить, что они были своего рода древними предшественниками современных ученых; если это так, то четыре стихии представляли изначальные познания в физике конденсированного состояния.
Эти стихии поразительно хорошо сохранились и в современной физике в виде знакомых нам четырех состояний вещества: земле соответствует твердое состояние, воде – жидкое, воздуху – газообразное, а огню – плазма, пример четвертого состояния вещества. Хотя у всех этих состояний разные свойства, их общая черта состоит в том, что все они возникают лишь тогда, когда набирается достаточно индивидуальных частиц, чтобы их было не различить в общей толпе. Чтобы понять это, важно научиться рассматривать мир на разных пространственных масштабах.
Рассмотрение разных пространственных и временных масштабов жизненно важно для физики конденсированного состояния, потому что в этой дисциплине рассмотрение эмерджентных свойств повседневного мира часто начинается с описания в терминах элементарных частиц. Эти масштабы удобно классифицировать по методикам экспериментальных исследований, которые применяются для их изучения.
Например, взгляните на свой волшебный посох, который стоит у стены. Предмет, который вы видите, живет на «макроскопическом масштабе», или макромасштабе – привычном масштабе повседневных вещей, которые можно увидеть невооруженным глазом. Речь идет о размерах, скажем, от миллиметра до нескольких метров.
Если у вас есть под рукой микроскоп, вы можете исследовать свой посох поподробнее, до расстояний порядка одной тысячной миллиметра. Это соответствует верхней границе «микромасштаба». Под микроскопом можно увидеть отдельные растительные клетки посоха. Если же – что маловероятно – у вас есть под рукой сканирующий туннельный микроскоп (они обычно занимают целую комнату), вы можете разглядеть расстояния нанометрового масштаба (порядка одной миллионной миллиметра), или «наномасштаба». На отрезке длиной в один нанометр поместятся всего пять атомов вашего посоха; ширина спирали ДНК составляет около трех нанометров. Лучшие из сканирующих туннельных микроскопов обладают разрешением около одной десятой нанометра, что приблизительно соответствует диаметру отдельного атома.
Когда я услышал, что можно получать изображения индивидуальных атомов, я в это не поверил. Уж наверное Вселенная должна была постараться, чтобы такое знание оставалось в тайне. Однако сейчас мне выпала честь работать с экспериментаторами, которые безо всякого труда рассматривают наномасштабные объекты, исследуя тайны нашего мира. Одним из ведущих мировых специалистов по сканирующей туннельной микроскопии является профессор Видья Мадхаван из Иллинойского университета в Урбане-Шампейне. Она и ее аспирант Хорхе Оливарес Родригес любезно прислали мне это изображение атомов стронция, которое они получили при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Некоторая его нечеткость объясняется тем, что микроскоп подходит вплотную к фундаментальным пределам, установленным квантовой механикой.
Словосочетанием «микроскопический масштаб» иногда обозначают все пространственные масштабы, для исследования которых нужны микроскопы любого рода. Я тоже буду использовать здесь это условное обозначение, подразумевая, что мир делится на две части – микроскопическую и макроскопическую. Вооружившись этой терминологией, мы можем разобраться в четырех стихиях и присущих им состояниях материи.
Отдельные атомы стронция в кристалле под сканирующим туннельным микроскопом. Изображение предоставлено профессором Видьей Мадхаван
Твердое состояние представлено в четырех стихиях землей. Вообще говоря, мы понимаем, что такое твердое вещество, но дать этому состоянию точное определение оказывается делом весьма непростым. То определение, которое в конце концов выработали ученые, вряд ли будет первым, пришедшим вам в голову: они установили, что только твердые тела могут быть устойчивы к «напряжению сдвига». Напряжение сдвига – это усилие, возникающее, когда одну сторону тела толкают в одном направлении, а противоположную – в противоположном. Такое усилие создает фокусник, сдвигающий с колоды игральные карты. Вообразите, что конкурирующий иллюзионист тайно подменил его колоду точной копией, изготовленной из единого куска твердого вещества. Нашему фокуснику не удастся сдвинуть верхнюю карту, потому что атомы карт в этой копии колоды связаны друг с другом.
Твердые вещества естественным образом подразделяются на две категории – кристаллы и стекла. Различие между ними яснее всего видно на наномасштабе. Атомы кристалла расположены периодически, то есть через регулярные интервалы, подобно гребням волн или клеткам шахматной доски. На фотографии профессора Мадхаван видно, что атомы стронция находятся именно в такой структуре. Напротив, любое твердое вещество с беспорядочным расположением атомов называется стеклом. Стекло, из которого сделаны винные бутылки, – один из примеров такого вещества, но существует и множество других стекол, в том числе обсидиан и некоторые керамические материалы.