Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

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.