До образования конденсата, когда к проволоке прикладывают напряжение, отдельные электроны начинают двигаться – возникает электрический ток. Сталкиваясь по пути с атомами, электроны теряют энергию, отчего возникает знакомое всем нам электрическое сопротивление, приводящее к нагреву проводника. Когда же образуется конденсат, отдельные электроны и даже отдельные куперовские пары теряют всякую индивидуальную идентичность. Подобно боргам из сериала «Звездный путь», они вливаются в коллектив. При возникновении электрического тока весь конденсат движется как единое целое.
Если бы конденсат столкнулся с отдельным атомом и отскочил от него, изменилась бы траектория всего конденсата. Но это потребовало бы значительного количества энергии – намного больше, чем нужно, чтобы изменить направление движения отдельного электрона. Классически мы можем описать этот результат следующим образом: при низких температурах случайные колебания атомов не содержат достаточно тепловой энергии, чтобы изменять движение всей массы конденсата, включающего множество частиц. Это как пытаться сдвинуть с места грузовик, бросая в него попкорном. С квантово-механической точки зрения результат аналогичен. В этом случае мы сказали бы, что для изменения конфигурации конденсата весь массив конденсата частиц должен был бы сдвинуться на значительную фиксированную величину и перейти в новое квантовое состояние, которое энергетически отличается от первоначального. Но тепловая ванна при низкой температуре не может обеспечить такой энергии. В качестве альтернативы мы могли бы предположить, что столкновение разбивает два электрона куперовской пары в составе конденсата – ну, скажем, как при столкновении со столбом у грузовика отламывается зеркало заднего вида. Но при низких температурах все движется слишком медленно, чтобы это могло произойти, так что ток течет беспрепятственно. Борг сказал бы, что сопротивление бесполезно. В данном случае, однако, сопротивления просто нет. Однажды возбужденный ток будет течь вечно, даже если убрать источник, который первоначально был подключен к проводнику.
Это была теория сверхпроводимости Бардина – Купера – Шриффера (БКШ) – замечательный труд, позволивший в конечном итоге объяснить все экспериментальные свойства таких сверхпроводников, как ртуть. Эти новые свойства свидетельствуют, что основное состояние системы изменилось по сравнение с тем, в котором она находилась до превращения в сверхпроводник; подобно ледяным кристаллам на оконном стекле, эти новые свойства отражают спонтанное нарушение симметрии. В сверхпроводниках нарушение симметрии не так наглядно, как в ледяных узорах на стекле, но оно тем не менее есть, хотя и скрыто под поверхностью.
Математически о нарушении симметрии свидетельствует то, что после образования конденсата из куперовских пар для изменения конфигурации материала в целом внезапно начинает требоваться значительная минимальная энергия. Конденсат ведет себя как макроскопический объект довольно большой массы. Появление такого «скачка массы» (он выражается как минимальная энергия, необходимая для вывода системы из сверхпроводящего состояния) – визитная карточка фазового перехода с нарушением симметрии, при котором возникает сверхпроводимость.
Несмотря на всю занимательность этих явлений, вы, вероятно, гадаете, какое все это имеет отношение к истории, на которой сосредоточено наше внимание, а именно к пониманию фундаментальных взаимодействий в природе. Теперь, задним числом, связь эта очевидна. Однако в сложном и запутанном мире физики элементарных частиц в 1950–1960-х гг. путь к ясности был далеко не прямым.
В 1956 г. Йоитиро Намбу, незадолго до того перебравшийся в Чикагский университет, посетил семинар Роберта Шриффера, посвященный тому, что в будущем стало БКШ-теорией сверхпроводимости, и услышанное произвело на него огромное впечатление. Подобно большинству тех, кто интересовался в то время физикой элементарных частиц, он пытался разобраться, какое место знакомые частицы, составляющие атомное ядро, – протоны и нейтроны – занимают в зоопарке частиц и джунглях взаимодействий, связанных с их рождением и распадом.
Намбу, как и других, поражали почти равные массы протона и нейтрона. Ему, как в свое время Янгу и Миллсу, казалось, что такое совпадение должно быть результатом действия какого-то глубинного закона природы. Намбу, однако, предположил, что ключ к решению может дать феномен сверхпроводимости, в особенности вид новой шкалы собственных энергий, которая связана с энергией возбуждения, необходимой для разрушения конденсата из куперовских пар.
На протяжении трех лет Намбу разбирался, как можно приспособить эту идею к нарушениям симметрии в физике элементарных частиц. Он предложил модель, согласно которой в природе может существовать аналогичный конденсат некоторых полей, и минимальная энергия, необходимая для создания возбуждения в этом конденсированном состоянии, может быть той самой большой собственной массой/энергией, связанной с протонами и нейтронами.
Намбу и независимо от него физик Джеффри Голдстоун выяснили, что признаком такого нарушения симметрии было бы существование других безмассовых частиц, известных в настоящее время как бозоны Намбу – Голдстоуна (НГ), или голдстоуновские бозоны, взаимодействие которых с остальным веществом отражало бы также природу нарушения симметрии. Здесь можно провести своеобразную аналогию с более знакомой системой, такой как ледяной кристалл, где спонтанно нарушается симметрия относительно пространственного переноса, поскольку движение в одном направлении резко отличается от движения в другом. Но в таком кристалле возможны крошечные колебания отдельных атомов кристаллической решетки относительно своих равновесных положений. Эти колебательные моды, называемые, как я уже говорил, фононами, способны содержать в себе сколь угодно малое количество энергии. В квантовом мире физики элементарных частиц эти моды отразились бы как безмассовые частицы Намбу – Голдстоуна, поскольку там, где явно проявляется эквивалентность между энергией и массой, возбуждения, способные нести малую энергию или не нести никакой, соответствуют частицам с нулевой массой.
И вдруг – подумать только! – оказалось, что открытые Пауэллом пионы очень близко подходят под это описание. У них не то чтобы совсем отсутствует масса, но они намного легче остальных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. Их взаимодействия с другими частицами имеют характеристики, ожидаемые для НГ-бозонов, которые могут существовать, если в природе имелось некоторое явление, нарушающее симметрию, энергия возбуждения для которого соответствовала бы по масштабу массе/энергии протонов и нейтронов.
Но, несмотря на всю важность работы Намбу, и сам он, и почти все его коллеги в данной области просмотрели связанное с ней, но гораздо более глубокое следствие спонтанного нарушения симметрии в теории сверхпроводимости, которое позже дало ключ к раскрытию подлинной загадки сильного и слабого ядерных взаимодействий. Внимание Намбу к нарушениям симметрии было совершенно оправданно, но аналогии, которые он и другие исследователи проводили со сверхпроводимостью, были неполны.
А на самом деле мы гораздо сильнее похожи на физиков, обитающих на ледяном кристалле изморози, чем можем себе представить. Зато нетрудно вообразить, что, как и у этих физиков, наша близорукость далеко не сразу была замечена физическим сообществом.
Глава 15Жизнь внутри сверхпроводника
Ложь говорит каждый своему ближнему; уста льстивы, говорят от сердца притворного.
Сейчас ошибки прошлого могут показаться очевидными, но не забывайте, что объекты, наблюдаемые в зеркале заднего вида, часто оказываются ближе, чем кажется. Легко критиковать наших предшественников за упущения, но и то, что сегодня ставит нас в тупик, нашим потомкам может показаться очевидным. Работая на переднем крае науки, мы движемся по тропе, зачастую скрытой в тумане.
Аналогия со сверхпроводимостью, которую впервые использовал Намбу, полезна, но в основном по совершенно иным причинам, чем думали в свое время Намбу и другие. Задним числом ответ может показаться чуть ли не очевидным, как становятся очевидными после финала все намеки и детали, указывающие на убийцу в романах Агаты Кристи. Но, как и в этих детективах, на пути исследователя возникает множество отвлекающих деталей, а тупиковые направления делают полученное в конечном итоге решение еще более неожиданным.
Можно только посочувствовать физикам в той неразберихе, что царила тогда в исследованиях элементарных частиц. Вводились в строй новые ускорители, и всякий раз, когда преодолевался новый порог энергии столкновения, перед изумленным взором ученых появлялись новые сильно взаимодействующие родичи нейтронов и протонов. Процесс казался бесконечным. Это обескураживающее разнообразие заставляло и теоретиков, и экспериментаторов сконцентрироваться на загадке сильного ядерного взаимодействия: казалось, что именно в нем заключается самый серьезный вызов существующей теории.
Казалось, микромир можно описать как потенциально бесконечное число элементарных частиц со все возрастающими массами. Но все это плохо сочеталось с идеями квантовой теории поля – успешной концепции, сумевшей чудесно объяснить релятивистское квантовое поведение электронов и фотонов.
Физик Джеффри Чу из Университета в Беркли возглавил работу над популярной и влиятельной программой разрешения этой проблемы. Чу отказался от идеи существования каких бы то ни было по-настоящему фундаментальных частиц и от всякой микроскопической квантовой теории с участием точечных частиц и связанных с ними квантовых полей. Вместо этого он предположил, что все наблюдаемые частицы, участвующие в сильном взаимодействии, вовсе не являются точечными, а представляют собой сложные связанные состояния других частиц. С этой точки зрения редукция к первичным фундаментальным объектам невозможна. Такая дзеновская картина была весьма уместной для Беркли 1960-х гг. Все частицы мыслились в ней состоящими из