Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Входить в ведьмин круг может быть опасно. Современная наука говорит, что эти кольца грибов – появляющиеся на поверхности проростки большой грибницы, но в древнем фольклоре считалось, что в них водят хороводы феи. Тот, кто по глупости вступит в такой круг, услышит их завораживающую музыку и, скорее всего, уже никогда не сможет перестать танцевать. Танец фей упоминается в «Сне в летнюю ночь» Шекспира, в сцене свадьбы, на которой присутствуют как люди, так и сверхъестественные существа. Эта сцена, изображенная на картине Уильяма Блейка «Оберон, Титания и Пак танцуют с феями» (Oberon, Titania and Puck with Fairies Dancing, 1785) – таковы имена некоторых из главных волшебных персонажей, – была основана на традиционных представлениях: в Уэльсе считается, что когда несколько фей собираются вместе, они непременно начинают танцевать. В книге «Сказочная мифология» (The Fairy Mythology, 1828) Томас Кейтли описывает танец «под эту восхитительную волшебную мелодию, которая зачаровывает разум, приводя его в состояние столь сладкого помутнения».

Похожие кольца появляются в древнейшей пустыне мира, пустыне Намиб; это тесно расположенные, окруженные высокой травой песчаные круги, в которых ничего не растет. Местные легенды объясняют их происхождение по-разному: некоторые считают, что эти круги образуются от танцев фей, другие называют их следами богов. Общепринятого научного объяснения пока нет, но наиболее правдоподобные теории чрезвычайно интересны. В 2017 году исследователи из Принстона создали модель образования этих волшебных кругов в результате сочетания конкуренции между популяциями термитов и координированного роста растительности[115]. Кольца образуют структуру, напоминающую пчелиные соты, в которой у каждого из них есть в среднем шесть соседей: это самая плотная из возможных упаковок кругов на плоскости. Это явление дает великолепный пример эмерджентности: каждый термит и каждое растение выполняют простые задачи, но крупномасштабным результатом их поведения становится почти оптимальная упаковка волшебных колец.

Олаф Магнус. О ночных танцах фей, сиречь призраков. 1555 г.

Представим себе неосторожный караван, забредший в волшебное кольцо. Услышав манящую музыку, путешественники присоединяются к вечному танцу. Все, феи и люди, танцуют быстро; все возможные направления танца заняты людьми и, независимо от них, феями; все чувствуют, как от ног танцующих дрожит песок пустыни. Опьяняющая вибрация создает притяжение, воздействующее как на людей, так и на фей; однако эти чудесные чары таковы, что каждый из них оказывается привязан лишь к одному партнеру. Каждый человек получает партнера из числа фей и наоборот, причем пары образуют танцующие, движущиеся в этот момент в противоположных направлениях. Такие партнеры могут находиться в толпе далеко друг от друга, но их взгляды встречаются, и это связывает их судьбы; однако такая связь мимолетна, так как толпа движется хаотически, и все то и дело радостно меняют направление. Как только кто-нибудь из людей меняет направление, он немедленно находит себе нового партнера – фею, танцующую в противоположном направлении; так же находит себе новую пару при смене направления и каждая фея.

Позвольте объяснить эту аналогию. В обычном металле в электропроводности участвуют только электроны, находящиеся вблизи поверхности моря Ферми. У них больше всего энергии, они движутся быстрее всех остальных. Обычно их скорости приблизительно одинаковы, но перемещаются они в разных направлениях. Когда металл в достаточной степени охлаждается, именно эти электроны начинают сверхпроводящий танец. В нашей модели и люди, и феи изображают электроны – отрицательно заряженные частицы, обладающие магнитным полем (квантовым спином). При измерении проекции спина на некое выбранное направление всегда оказывается, что он ориентирован либо по этому направлению, либо против него; люди и феи и представляют эти два возможных направления спина.

Люди и феи притягиваются друг к другу вибрациями, которые возбуждают их шаги в почве пустыни; электроны тоже ощущают вибрацию друг друга, передаваемую через кристаллическую решетку. Поскольку у электронов одноименный заряд, они естественным образом отталкиваются друг от друга, но вибрация приводит к их взаимному притяжению. Это притяжение – первая замечательная особенность теории сверхпроводимости. Речь идет о притяжении в привычном физическом смысле – силе, притягивающей частицы друг к другу. Но появление его в этой ситуации странно, потому что два элементарных электрона должны ощущать воздействие силы, отталкивающей их друг от друга, и неясно, что именно противодействует этой силе.