Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Вот как рассказывает о кристаллах мой друг Стивен Бланделл, профессор физики конденсированного состояния в Оксфордском университете: каждый кристалл образует свой собственный мир со своими собственными физическими законами – собственной скоростью звука и собственной скоростью света. В мире одного кристалла механическое сдавливание порождает электричество. В мире другого заряженные частицы движутся по кругу. Давайте отправимся в путешествие по этим мирам по примеру знаменитых оксфордских непосед – таких как Алиса из «Зазеркалья» или Лира из трилогии «Темные начала» Филипа Пулмана. В некоторых из этих миров мы познакомимся с новыми частицами; в других мы встретим старых друзей в новых обличиях. Мы попадем в миры, в которых магические способности обыденны, и вернемся из них с некоторыми из таких способностей: кристаллы научат нас видеть привычный нам мир в новом, волшебном свете. Та нить, следуя за которой мы пройдем сквозь эти миры, нить, связывающая их воедино, – это симметрия.

Симметрия – определяющее свойство кристалла. Я живо помню, в какое возбуждение привел меня в детстве кристалл висмута, который я увидел на обложке журнала. Он стал бы отличным дополнением к «Павлиньему музею», который я устроил в картонной коробке[27]. Я нетерпеливо надорвал пластиковый пакет, приклеенный к журналу, надеясь найти в нем новый уникальный экспонат. И с ужасом осознал, что меня надули: кристалл оказался пластмассовой подделкой. Напрасно я надеялся заполучить свой собственный кристалл! Ошибка фальсификаторов состояла в том, что они сделали свою подделку слишком красивой: с металлической поверхностью, покрытой маслянистой радужной патиной, и формой ступенчатой пирамиды наподобие храмов майя. Природа явно не могла произвести ничего столь симметричного.

Лишь годы спустя, когда я прослушал курс металлургии, будучи студентом в Оксфорде, я выяснил, что кристалл-то был самым настоящим. Кристаллы действительно волшебны: висмут добывается из-под земли именно таким невероятно прекрасным и симметричным.

Кристалл висмута

Значение симметрии для мировоззрения физика невозможно переоценить. Я приведу еще одну цитату из мастера определений Филипа Уоррена Андерсона:

Будет лишь небольшим преувеличением сказать, что физика есть исследование симметрии.

Это смелое утверждение, но его защитники найдутся во всех отраслях этой дисциплины. Чтобы понять, почему Андерсон так думал, нам нужно сначала постичь значение и возможности симметрии. Понимание того, как кристаллы достигают своей симметрии, жизненно важно для понимания самой материи. В этой главе нам встретится следующее каноническое определение материи:

Материя есть жесткая структура, возникающая при спонтанном нарушении симметрий.

Чтобы понять смысл этого утверждения, мы должны совершить путешествие по мирам кристаллов, в каждом из которых есть свои законы и свои особенности. Но сначала посмотрим на некоторые из магических свойств кристаллов, обратив особое внимание на то из них, которое и мы можем использовать, чтобы увидеть мир по-новому.

Поляризация мнений

Многие кристаллы обладают особыми свойствами. Один пример таких свойств мы уже видели – это магнетизм. Его поразительно интересным образом используют магнитотактические бактерии, развившие в процессе эволюции способность выращивать внутри себя магнитные кристаллы, чтобы ориентироваться в магнитном поле Земли, что помогает им в поисках наиболее подходящей для них среды. Эти бактерии выделяют из воды железо и используют его для выращивания кристаллов магнетита (оксида железа) или грейгита (сульфида железа) длиной от приблизительно тридцати до сотни нанометров. Бактерии научились выращивать кристаллы именно такого размера, потому что они достаточно велики, чтобы ощутимо смещаться под действием геомагнитного поля, но не настолько велики, чтобы в них образовывались разнонаправленные магнитные домены (что уменьшало бы суммарную интенсивность поля). Несколько групп проводили исследования, показавшие, что в принципе магнитотактическими бактериями можно покрывать вирусы, убивающие раковые клетки так, чтобы эти вирусы могли существовать в организме человека достаточно долго и их можно было подводить к раковым опухолям при помощи магнитов, устанавливаемых на тело человека[28].