Лоуренс Максвелл Краус - Таємниці походження всесвіту

кристали утворюють витіюваті деревоподібні візерунки, що ростуть у довільних напрямках та стикаються один з одним під випадковими кутами. Дихотомія між порядком на малих масштабах і довільністю на великих свідчить про те, що для крихітних фізиків та математиків, чий життєвий простір обмежено гребенем одного із зображених на фото крижаних кристалів, усесвіт виглядатиме зовсім інакше.

Один із напрямків у просторі, що відповідає напрямку вздовж гребеня певного крижаного кристала, матиме особливе значення. Світ природи виглядатиме орієнтованим відносно цієї осі. Мало того, враховуючи ґратчасту структуру кристала, електричні сили, напрямлені вздовж гребеня, поводитимуться зовсім інакше порівняно із силами, перпендикулярними до нього: ці сили поводитимуться так, наче вони зовсім різні.

Якщо фізик чи математик, який живе на кристалі, виявиться розумним або подібно до математика з Платонової печери йому пощастить полишити кристал, невдовзі йому стане очевидно, що особливий напрямок, який визначав фізику звичного йому світу, є ілюзією. Він виявить або вирахує, що інші кристали можуть указувати в багатьох інших напрямках. Урешті-решт, якщо йому вдасться поглянути на вікно ззовні в достатньо великому масштабі, йому відкриється базисна симетрія природи відносно обертання у всіх напрямках, відображенням якої буде зростання кристалів у всі боки.

Поняття про те, що світ нашого чуття є аналогічною випадковістю наших конкретних обставин існування, а не безпосереднім відображенням базисних реальностей, стало стрижневим у сучасній фізиці. Ми навіть дали йому красиву назву – «спонтанне порушення симетрії».

Вище я вже згадував один із різновидів спонтанного порушення симетрії, коли обговорював парність, або ліво-праву симетрію. Наші ліві руки виглядають відмінними від правих, хоча електромагнетизм – сила, що визначає побудову великих біологічних структур на кшталт наших тіл, – не відрізняє лівий бік від правого.

Інші два відомі мені приклади, за якими стоять видатні фізики, також допомагають висвітлити спонтанне порушення симетрії в різні способи, які можуть стати нам у пригоді. Абдус Салам, який 1979 року одержав Нобелівську премію за роботу, критично залежну від цього феномену, описав відому всім нам ситуацію – перебування в компанії інших людей за круглим обіднім столом, накритим, скажімо, на вісьмох. Коли ви сідаєте за стіл, може бути неочевидно, який бокал ваш, а який – вашого сусіда, правий чи лівий. Проте незалежно від правил етикету, які чітко встановлюють, що ваш бокал праворуч, щойно перша людина бере свій бокал, усі інші за столом мають лише один варіант, за якого випити зможуть усі. Хоча базисна симетрія стола проявляється дуже чітко, вона порушується, щойно обрано напрямок взяття бокалів.

Йоїтіро Намбу, ще один нобелівський лауреат, який першим із фізиків описав спонтанне порушення симетрії у фізиці елементарних частинок, навів інший приклад, який я адаптував для викладення тут. Візьміть паличку або навіть питну соломинку, поставте її одним кінцем на стіл, а на другий кінець натисніть. Урешті-решт паличка зігнеться. Вона може зігнутися в будь-якому напрямку, і якщо повторити експеримент кілька разів, може статися, що вона щоразу згинатиметься в якомусь іншому напрямку. Перед натисканням паличка має повну циліндричну симетрію. Після натискання відбувається обрання одного з багатьох можливих напрямків, який визначається не базисними фізичними властивостями палички, а випадковим чином залежно від того, як саме ви на неї тиснете. Симетрія порушується спонтанно.

Якщо тепер повернутися до світу захололих вікон, то в результаті охолодження систем властивості матеріалів можуть змінюватися. Вода застигає, гази зріджуються тощо. У фізиці така зміна називається фазовим переходом, і, як показує приклад із вікном, коли система переживає фазовий перехід, нерідко виявляється, що симетрії, пов’язані з однією фазою, в іншій фазі зникають. Приміром, до застигання криги в кристали на вікні краплі води не розташовувалися б настільки впорядковано.

Один із найприголомшливіших фазових переходів, що їх коли-небудь спостерігали в науці, уперше побачив на власні очі 8 квітня 1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес. Оннес дивовижним чином умів охолоджувати речовини до недосяжних раніше температур, і він став першою людиною, яка зрідила гелій, остудивши його до температури, лише на чотири градуси вищої за абсолютний нуль. За цю експериментальну звитягу він пізніше отримав Нобелівську премію. Коли 8 квітня він охолоджував ртутний дріт у ванні з рідкого гелію до температури, на 4,2 градуса вищої за абсолютний нуль, одночасно вимірюючи його електричний опір, він із превеликим подивом виявив, що опір раптом упав до нуля. Струм, який почав протікати дротом, міг продовжувати робити це нескінченно довго навіть після прибирання батареї, яка його спричинила. Продемонструвавши, що його талант піарника аж ніяк не поступався обдаруванню експериментатора, він запропонував для опису цього визначного й зовсім несподіваного результату термін надпровідність.

Надпровідність була настільки несподіваною й дивною, що мине майже п’ятдесят років після відкриття квантової механіки, від якої вона залежить, перш ніж 1957 року (того ж року, коли було виявлено порушення парності, а Швінґер запропонував модель, яка була спробою об’єднати слабку й електромагнітну взаємодію) команда в складі Джона Бардіна, Леона Купера та Роберта Шріффера розробить його разюче фізичне пояснення. Їхня робота була тріумфом винахідливості й спиралася на низку проникливих здогадок, зроблених упродовж кількох десятиліть наполегливої праці. У підсумку це пояснення спирається на несподіваний феномен, який може мати місце лише в певних речовинах.

У порожньому просторі електрони відштовхують інші електрони, оскільки заряди з однаковим знаком взаємовідштовхуються. Проте в деяких речовинах при охолодженні електрони здатні зв’язуватися з іншими електронами. У таких речовинах це відбувається через те, що вільний електрон схильний збирати навколо себе позитивно заряджені іони. Якщо температура дуже-дуже низька, інший електрон може притягнутися до позитивно зарядженого поля навколо першого електрона. Пари електронів можуть зв’язуватися докупи, при цьому роль, так би мовити, клею виконує позитивно заряджене поле, утворене притяганням першого електрона до кристалічної ґратки позитивних зарядів, пов’язаних з атомами речовини.

Оскільки ядра атомів важкі й утримуються на місці відносно сильними атомними силами, перший електрон дещо викривляє ґратку сусідніх атомів, підсуваючи деякі з них трохи ближче до себе, ніж вони мали б бути. Викривлення ґратки зазвичай викликають у речовині вібрації, або звукові хвилі. У квантовому світі ці вібрації квантуються й називаються фононами. Леон Купер відкрив, що ці фонони здатні зв’язувати пари електронів таким чином, як я описав вище, тож ці пари дістали назву куперівських пар.

Далі відбувається справжня