Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Чтобы исполнить его, вам нужно будет вернуться в местную таверну. Вас наверняка туда уже не пускают, так что вам придется переодеться – скажем, пожилым книгоношей, если, конечно, вы на самом деле не пожилой книгоноша: в таком случае можно притвориться, например, путешественником, который только что вернулся из пустыни со странным чувством юмора. Придумайте способ включить в свой наряд пробку от винной бутылки. Завязав беседу с ничего не подозревающим завсегдатаем таверны, ловко переведите разговор на пробки. Например, вы можете сказать, что, скитаясь по пустыне, встретили там фокусника: он рассказал вам, что в обычных условиях невозможно положить пробку на поверхность напитка так, чтобы она оставалась точно в центре стакана, но он знает волшебное средство, которое может заставить пробку оставаться в этой точке. Фокус работает почти с любыми напитками, но предположим, что перед вашим собеседником стоит чарка медовухи. Дайте ему свою пробку и попросите попытаться положить ее так, чтобы она неподвижно лежала на поверхности медовухи в центре чарки. Собеседник убедится, что это невозможно: пробка будет смещаться в самую высокую точку поверхности жидкости, которая из-за наличия мениска находится на краю. После этого продемонстрируйте колдовство, которому научил вас фокусник. Нужно чуть-чуть переполнить чарку, чтобы мениск стал из вогнутого выпуклым. Тогда медовуха поднимется над краями чарки, самая высокая точка окажется в центре, и пробка сама по себе сместится именно в центр поверхности. Если вы склоняетесь к черной магии, этот фокус легко превратить в предмет прибыльных пари. В общем случае мениск образуется потому, что молекулы текучей среды сильнее притягиваются к стенкам сосуда, чем друг к другу. Поднимаясь на стенки сосуда, они увеличивают площадь соприкосновения с ними. Это происходит с водой в стакане и со многими жидкостями на основе воды, например с молоком или медом (так что должно получиться и с медовухой – алкогольным напитком на основе меда). В некоторых веществах притяжение между молекулами бывает сильнее, чем их притяжение к сосуду; в таком случае мениск выше в центре, чем по краям, даже когда сосуд не переполнен. Такой мениск можно наблюдать на поверхности ртути в термометре[112].

Способность сверхтекучих сред подниматься по стенкам – это экстремальное проявление эффекта мениска. Другие их способности не столь понятны и имеют чисто квантовую природу. В главе VI мы связывали тот факт, что гелий не затвердевает при абсолютном нуле, с квантовыми флуктуациями. Для более точного утверждения нужно оговориться, о каком именно изотопе идет речь – гелии-4 или гелии-3. Разные изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов. У гелия-4 тех и других по два; при температуре ниже 4,2 К он претерпевает фазовый переход, который называется конденсацией Бозе – Эйнштейна и переходит в новое, сверхтекучее состояние вещества.

Вспомним легенды моря Ферми. Запрет Паули гласит, что никакие два идентичных фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому, когда несколько фермионов оказываются вместе, некоторые из них поневоле имеют высокую энергию даже в самом низкоэнергетическом своем состоянии – как нерасторопные волшебники, которым приходится тащиться на верхние этажи башни, потому что все нижние уже заняты. Но атомы гелия-4 ведут себя не как фермионы, а как бозоны.

Бозоны названы в честь Шатьендраната Бозе (1894–1974), физика из Бенгалии, основавшего дисциплину «квантовой статистической механики». Хотя за работы, ставшие возможными непосредственно благодаря его открытиям, на сегодня было присуждено уже семь Нобелевских премий, сам Бозе так и не удостоился этой чести. Бозе был ученым-энциклопедистом, свободно владел бенгальским, английским, французским, немецким и санскритом, а также выполнил первый перевод статей Эйнштейна по общей теории относительности на английский язык[113].

Бозоны не подчиняются запрету Паули. Они вполне могут существовать в том же квантовом состоянии, что и другие, так что при низких температурах все они переходят в состояние с наименьшей энергией. Если бы волшебники были бозонами, они все спали бы вповалку в самом нижнем номере гостиничной башни. Если же при этом бозоны испытывают притяжение друг к другу, как это происходит с атомами гелия-4, они активно привлекают друг друга в состояние с наименьшей энергией. Образующееся при этом состояние вещества называют конденсатом Бозе – Эйнштейна, и сверхтекучий гелий-4 представляет собой пример именно такого состояния. Хотя странные макроскопические свойства сверхтекучих сред имеют чисто квантовую природу, их можно наблюдать на крупном масштабе, в нашей срединной области. Это ли не невероятно? Как такое может быть?