Потому что в нем действует еще один процесс. Идеальной упорядоченности кристалл достигает только при абсолютном нуле. Если же температура отличается от нуля (что, как говорит нам третье начало, бывает всегда), атомы вибрируют. Это проявление энтропии. По мере увеличения температуры атомы приобретают энергию; они идут на это, потому что одновременно они приобретают и энтропию. Такой компромисс вполне понятен: если взять тот же хрустальный шар, который скатывается вниз по склону, – почему он не закатывается вверх по другому склону и не продолжает затем кататься туда и обратно? Потому что при его соприкосновении с землей возникает трение и происходит рассеяние части кинетической энергии в виде тепла (а также звука и вибрации). Этот процесс необратим, и рано или поздно шар останавливается.
Существует изящный способ выражения противоречивых стремлений природы – с одной стороны, к минимизации энергии, а с другой – к максимизации энтропии. Мы обязаны им Герману фон Гельмгольцу. Путь Гельмгольца в физику был необычным: он был военным врачом, а в свободное время ставил в казарме научные опыты. В то время шла дискуссия о том, применимы ли появлявшиеся тогда всеобщие принципы физики к живым существам: можно ли считать, что люди и животные просто преобразуют химическую энергию в механическую, или же существует некая нематериальная «витальная» (жизненная) энергия, присущая живому? Гельмгольц придерживался первого мнения и тщательно продемонстрировал, что при движении мышц энергия сохраняется. Это стало важным шагом к отказу от витализма, после которого физиологи смогли использовать в исследованиях живой материи физические принципы. Гельмгольц добился значительных успехов в разных областях физики, но нас сейчас интересует его работа в термодинамике.
У материи есть внутренняя энергия: викторианцы приводили в действие свои стимпанковские штуковины, сжигая уголь, в результате чего высвобождалась заключенная в нем энергия. Но из первого начала мы знаем: часть этой энергии может быть использована для производства полезной работы – например перемещения по холмам и долам шагающих замков, – но часть неизбежно принимает форму бесполезного тепла – вибрации атомов и так далее. Идея Гельмгольца состояла в вычитании из полной энергии этой бесполезной части. Энергия, получающаяся в результате этого вычитания, может быть использована для производства полезной работы: теперь ее называют свободной энергией Гельмгольца[60]. Что такое материя? Это структура, возникающая, когда взаимодействующие частицы минимизируют свою свободную энергию в соответствии с законами термодинамики. При низких температурах материя наиболее эффективно минимизирует свободную энергию путем уменьшения своей внутренней энергии, в результате чего возникает порядок (как во льде или других кристаллах). При более высоких температурах материи легче минимизировать свободную энергию путем максимизации своей энтропии. Равновесие смещается в точке фазового перехода: порядок исчезает, и лед тает, превращаясь в воду; при еще более высоких температурах вода кипит, превращаясь в пар.
Во многом благодаря вкладу Гельмгольца к моменту его смерти в 1894 году термодинамика стала общепризнанной научной дисциплиной. Ее феноменальный успех произвел революцию в человеческом мышлении и заложил прочные основы современной науки. Все было готово для новой революции, произошедшей около рубежа XX века.
В генеалогическом древе физики есть две ветви: почтенный аристократический род натурфилософов, университетских ученых, которые начали проверять свои теории на опыте, и семейка бродяг-алхимиков, пытавшихся добиться богатства и славы при помощи сокровенного знания. К тому, что эти семейства породнились, приложила руку и термодинамика. Это был брак по расчету, который предложили и обеспечили потребности промышленности. Но и родословная бродячей семейки разделялась на две линии: естественную магию, в которой алхимики пытались познать мир через многократные опыты, служившие для проверки достоверности знаний, унаследованных от древних, и вызывание демонов. В этом союзе не нашлось места эзотерическому мракобесию: демонов навечно изгнали из науки, ибо они не выдержали испытания воспроизводимыми экспериментами.
Термодинамика, выраженная в трех с половиной началах, – это фундаментальное осознание того факта, что наши знания связаны между собою этими скрытыми корнями. Ее законы применимы ко всему, от макрокосма до микрокосма и всего того, что лежит между ними: образование и поведение элементарных частиц подчиняются закону сохранения энергии; звезды представляют собой гигантские тепловые машины, работающие на ядерном синтезе; а развивающаяся сейчас область нанотехнологий поднимает термодинамику до уровня высокого искусства, строя молекулярные машины, выполняющие наши поручения – например доставляющие лекарства, которые, как мы надеемся, однажды смогут излечивать многие болезни. Термодинамика – это ясное проявление фундаментального отличия нашей срединной области: скажем, для элементарных частиц никакой энтропии не существует; это чисто эмерджентное явление, и тем не менее оно составляет суть нашего существования. Оно определяет различие между прошлым и будущим: время течет в направлении увеличения беспорядка, и известная нам реальность эмерджентна.
В самом ли деле эти законы невозможно нарушить? Особенно мудрый волшебник мог бы ответить, что так уж устроен мир и было бы мудрее изучать и исполнять эти законы, чем пытаться им противиться. Но волшебникам свойственно бунтарство, и он мог бы добавить шепотом, что кроме всего этого, чтобы нарушать законы, их сначала следует изучить. При достаточных знаниях законы становятся похожи на дружелюбных партнеров по тренировкам: проверяя их устойчивость, мы познаем окружающий нас мир.
Мы видели, как эти законы возникают из микроскопического мира атомов и молекул, который описывает статистическая механика. Но в XIX веке понятия о микроскопическом мире были чрезмерно упрощенными: предполагалось, что атомы и молекулы ведут себя привычным образом, летая по прямым линиям. Эта модель оказалась на удивление полезной, но на самом деле микроскопический мир – место гораздо более магическое. По мере того как эксперименты начали все глубже проникать в него, ученые стали осознавать, что поведение атомов и молекул фундаментально отличается от того, что мы знаем по повседневной жизни. Объяснение этих экспериментов потребовало включения в модели реальности непривычных и, казалось бы, противоречащих здравому смыслу черт.
Термодинамика стала предком физики конденсированного состояния, использовав древние, но зачастую неверные идеи в превращении этой области в науку современной эпохи. К началу XX века были собраны дрова и приготовлена растопка. В 1905 году кремень разума Альберта Эйнштейна высек четыре искры; из них разгорелся огненный смерч создания квантовой механики, и именно к этому пламени мы обратим теперь свои взоры.
VЗа знакомыми нам полями
По дороге домой леди Долгоух остановилась на залитой лунным светом лесной тропе и показала на что-то пальцем.
– Что это такое? – спросила она Калабаша.
– Изгородь, – ответил он.
Леди Долгоух просунула палец между листьями и повторила тот же вопрос.
– Изгородь, – был ответ.
Леди Долгоух повертела пальцем, показывая, что он не касается листьев.
– Дыры – тоже часть изгороди! – возразил Калабаш.
Леди Долгоух объяснила:
– В здешних лесах есть особое слово для туннелей, которые проделывают в изгородях птицы. Их называют смюзами.
Услышав это, Калабаш перестал видеть изгородь с дырами. Теперь он видел только смюзы, разделенные листьями.
Мы начали с первоначальных проблесков физики конденсированного состояния – классических состояний материи и давнего восхищения человечества природными магнитами. Затем мы прошли предысторию этой дисциплины, первые познания в области возможностей металлов и кристаллов. После этого мы перешли к непосредственному преддверию нашей науки – термодинамике, отбросившей наименее полезные части классической мысли (демонов и тому подобное) и выведшей на первый план поддающиеся проверке эксперименты; мы видели, как статистическая механика объясняет возникновение нашего мира из микроскопического мира атомов и молекул. К концу XIX века успехи этих идей породили ощущение, что физика объяснила более или менее все, что можно познать; оставалось лишь разобраться с некоторыми мелочами.
Эта точка зрения оказалась довольно недальновидной.
У многих хорошо изученных явлений не было объяснения, логично вытекающего из идей того времени. В головоломке не хватало кое-каких фрагментов: лежащие в поле морковку, ветки и угольки уже нашли, но еще не поняли, что раньше здесь стоял снеговик. Например, на рубеже XX века природные магниты все еще оставались чистым колдовством – объяснения причин существования магнитов по-прежнему не было. Другой пример: в то время считалось, что любое вещество, если его достаточно охладить, должно замерзнуть в твердые кристаллы. Если абсолютный нуль – это температура, при которой прекращается любое движение, что же еще может произойти? Однако на заре XX века, с появлением криогенной техники, стало ясно, что заморозить гелий невозможно. Гелий никогда не затвердевает при атмосферном давлении – даже при абсолютном нуле. Далее, из приведенного в прошлой главе описания фазовых переходов с точки зрения равновесия между энергией и беспорядком следует, что при абсолютном нуле (где беспорядка быть не должно) они происходить не могут. Однако теперь известны примеры фазовых переходов при абсолютном нуле. Чтобы объяснить эти – и многие другие – явления, нужно было отказаться от классического мировоззрения.
Классический период современной физики закончился в 1905 году. Физики называют 1905-й