Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Идея четырех состояний материи была так хороша, что успешно просуществовала не одно тысячелетие. Однако при этом она несколько ограничила наше мышление, скрыв от нас другие состояния, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни. Один из примеров таких состояний – жидкие кристаллы, которые используются в лэптопах и телевизионных экранах. Их молекулы выстраиваются в определенном порядке, чего не бывает в жидкостях, но в то же время эти вещества нельзя считать твердыми: их молекулы не образуют упорядоченных решеток, как в кристаллах, и перемещаются быстрее, чем в стеклах. Гели (например, желе) и коллоидные системы (например, молоко) обладают свойствами, отличающимися от свойств любого из четырех классических состояний. Коллоид – это взвесь твердых сгустков в жидкости: молоко представляет собой взвесь сгустков жира в воде.

Однако самым знакомым явлением, не поддающимся классификации в системе четырех элементов, можно, наверное, признать магнетизм.

Магнит ведет себя именно так, как можно ожидать от состояния материи: магнитное поле возникает из коллективного поведения множества взаимодействующих атомов. Существуют магнитные твердые вещества, магнитные жидкости и магнитные газы. Плазма магнитна по самой своей природе: в стандартной конструкции термоядерного реактора – токамака – плазма удерживается магнитным полем. В таком реакторе происходит термоядерный синтез – соединение атомных ядер с высвобождением энергии такое же, как внутри Солнца. При этом не образуются вредные побочные продукты, невозможно возникновение неуправляемой реакции, а в качестве топлива нужен только водород. Водорода существует настолько много, что термоядерный синтез считается возобновляемым источником энергии. Коммерческое внедрение синтеза пока не осуществлено; одна из причин этого связана с техническими трудностями: удержание плазмы магнитным полем иногда сравнивают с удержанием желе в равновесии на натянутой проволоке. В задачу специалистов по физике плазмы – некоторые из них считают, что занимаются физикой конденсированного состояния, а некоторые так не думают, смотря кого спросить, – входит разработка уравнений, которые сделают возможным эту невероятную эквилибристику.

Хотя магниты привычны, они остаются достаточно таинственными, чтобы сохранять свои волшебные свойства. Если вы увидите, как некий предмет движется по столу как бы под воздействием чьей-то мысли, вы, вероятно, первым делом заподозрите, что в этом фокусе используются магниты. Честно говоря, в том, что магниты позволяют перемещать объекты на расстоянии, действительно есть нечто волшебное! Люди впервые познакомились с ними в виде «магнитного железняка» или магнетита – естественно намагниченного минерала. Как именно намагничивается магнетит, никто точно не знает; наиболее правдоподобной считается гипотеза, согласно которой это происходит под действием молний. Это предположение подкрепляет то обстоятельство, что намагниченные минералы, по-видимому, встречаются только вблизи земной поверхности.

Природные магниты связаны с еще одним из ранних проявлений физики конденсированного состояния и всегда были связаны с волшебством. Одно из первых сохранившихся упоминаний о них встречается в китайской книге «Гуй Гу-цзы» ( – «Книга Учителя из долины Демонов»), относящейся к IV веку до н. э. Вот этот отрывок:

Желающий знать начинает с себя и, лишь познав себя, может знать других. Знающий друг – что рыба камбала, у которой оба глаза на одном боку. Познавший другого подобен эху, вторящему голосу. Постигший чувства другого подобен тени, неотступно следующей за телом. Вникать в слова другого – все равно что магнитом притягивать иглу или языком облизывать кость[14].