В паутине мощенных булыжником улиц было полно людей, спешивших разделаться с делами, пока не началась полуденная жара. Несмотря на толпы, Беатриса могла часами бродить по своему городу, не встречая ни души. Держась за руки по местному обычаю, они с Верианой легко прошли по узким переулкам города. Высокие желтые стены образовывали огромный лабиринт, и лишь изредка попадавшиеся окна или двери напоминали, что вдоль этих улочек стоят чьи-то жилища. Уютная привычность этих мест могла убаюкивать посетителей, приводя их в состояние, подобное сну. Некоторые из таких зачарованных превращались в сомнамбул, безвозвратно погружаясь в блаженство, к которому вел их игривый дух города, весело скакавший перед ними. Вериана знала: чтобы найти то, чего она ищет, ей нужно будет отдаться на волю этого духа. У нее на шее висел тяжелый талисман. Когда ей понадобится вернуться, она сожмет его в руке, и его вес свяжет ее с реальностью.
Передохнув в тени – ибо ранний день становился жарким, – Вериана и Беатриса продолжили свой путь. К началу вечера Вериана постепенно осознала, что стена, идущая слева, плавно отклоняется от нее, и она не помнит, когда начала идти вдоль нее. Стена эта образовывала замкнутую петлю длиной около мили в самом сердце города. В ней был вход в катакомбы, из укромных пещер которых можно было попасть в великую библиотеку. Сжав в руке талисман, она вернула свои мысли в реальность. Где-то в этой стене должна была быть дверь. Хотя она не была спрятана, увидеть ее мог только тот, кто знал Слово. Но у Верианы было это знание: Слово давным-давно сообщили ей лесные растения и животные. Итак, Вериана пересекла порог, а Беатриса бодро отправилась дальше, навстречу множеству других друзей, которые должны были посетить ее этим вечером, а некоторые и остаться у нее на очень долгое время.
Почему бы просто не покрыть всю Сахару солнечными панелями? Ну потому что это ценная и уникальная экосистема. Но почему мы не генерируем электроэнергию возобновляемыми методами, используя особенности местных условий, чтобы потом рассылать ее по всему миру? Солнечную в Сахаре, геотермическую в Гренландии, ветряную в Чикаго (ну ладно, чикагские ветра – это миф)… Короткий ответ – из-за второго начала термодинамики: передача энергии неизбежно приводит к потере большой ее части по пути, в основном в форме тепла, но также в форме звука и вибрации. Например, можно услышать, как гудят линии электропередачи, а если воткнуть люминесцентную лампу в землю под линией электропередачи, она начнет светиться. В фильме «Престиж» (The Prestige, 2006), когда аналогичный трюк проделывает Никола Тесла, его объявляют истинным волшебником – человеком, который на самом деле может сделать то, что фокусники только изображают. Этот эффект вызывается коронным разрядом, посредством которого линии электропередачи рассеивают энергию в воздухе. В 2021 году только Соединенные Штаты потеряли электроэнергии на сумму около 31 миллиарда долларов в процессе передачи и распределения; этого хватило бы, чтобы освещать улицы Нью-Йорка в течение тысячелетия[108]. Несмотря на большие усилия, которые прилагаются к минимизации потерь, второе начало, по-видимому, говорит нам, что они неизбежны. На памяти всех живущих поколений технологии развивались в экспоненциальном темпе. Этот рост совпал с экспоненциальным же ростом численности человечества; оба начались приблизительно во времена промышленной революции. Но, по оценкам ООН, к 2100 году численность населения мира должна стабилизироваться. В двух предыдущих главах мы видели примеры того, как физика конденсированного состояния может обеспечить продолжение столь же стремительного технического прогресса человечества. И все же кажется разумным надеяться, что в отдаленном будущем стабилизировавшееся население может обратиться вместо этого к поискам технологий, направленных на достижение равновесия с окружающей средой.
С практической точки зрения это потребует возможности передавать энергию из одного места в другое без потерь. В этом можно увидеть продолжение главного предприятия алхимиков – поисков способа трансмутации свинца в драгоценные металлы, который должен быть получен благодаря обнаружению философского камня. Однако физические трансмутации были лишь одной из способностей этого камня. Более высоким его назначением было обеспечение бессмертия – то есть избавление от потерь. Сходные изыскания велись повсюду – в древнем Шумере, у персидских магов, у китайских даосов, у европейских алхимиков, у догонов в Африке. Во всех этих случаях присутствовала вера в – предположительно – магические способности тех, кто обрабатывает металлы; эту связь красноречиво описал в своей истории алхимии, книге «Кузнецы и алхимики» (Forgerons et alchimistes, 1956)[109], Мирча Элиаде:
Важен тот факт, что овладение огнем утверждается как в культурном прогрессе, который является ответвлением металлургии, так и в психофизиологических техниках, образующих основу древнейших магий и известных шаманских мистик.
В 1911 году голландский физик Хайке Камерлинг-Оннес осуществил мечту алхимиков, преобразовав низкое вещество в драгоценный металл. В качестве исходных материалов он использовал излюбленные металлы алхимии – ртуть и свинец. Однако успеха он добился не приложением жара, а его полным исключением: он охладил металлы до самой низкой температуры, когда-либо достигавшейся на Земле. Камерлинг-Оннес не превратил эти металлы в золото, но преобразовал их в нечто гораздо более ценное – сверхпроводник.
Сверхпроводники обладают способностью проводить электрические токи без каких бы то ни было потерь. Подобно ничего не подозревающим гостям портового города, описанного в начале этой главы, электрический ток, текущий по замкнутому сверхпроводящему контуру, будет течь в нем вечно, не испытывая никаких потерь. Сверхпроводники Камерлинг-Оннеса были, вероятно, первыми на Земле, а может быть, и во всей Вселенной, за исключением тех, что могут существовать внутри нейтронных звезд. Познание заклинаний сверхпроводимости – создание простой теоретической модели, подробно объясняющей целый комплекс странных и непостижимых явлений, – было одним из величайших достижений в истории физики. Однако история сверхпроводимости еще далека от завершения: упомянутая простая теоретическая модель утверждает, что сверхпроводники могут существовать только при крайне низких температурах, не встречающихся на Земле даже в самые холодные ночи в самых холодных пустынях. Выход из этого тупика должно открыть еще одно заклинание, которое специалисты по физике конденсированного состояния еще только постигают. Это и есть современные поиски философского камня – получение сверхпроводимости при комнатной температуре.
На этом последнем этапе нашего путешествия мы попадем в отдаленное будущее физики конденсированного состояния, не зная наверняка, что мы там найдем. Но начать можно с хорошо известной территории, обратившись к веществам, которые завораживали меня с тех самых пор, когда я еще ребенком впервые услышал легенды об их магии, – сверхтекучим средам.
Помню, впервые я услышал о сверхтекучести в начальной школе – мне тогда было лет восемь. По рассказам казалось, что ничего волшебнее и быть не может. Хотя я уже знал, что хочу стать физиком, сегодня я подозреваю, что на путь, ведущий к физике конденсированного состояния, вполне могли направить меня именно слухи о сверхтекучести. Точнее, как я вспоминаю, мне рассказали вот что: если налить сверхтекучую жидкость в бутылку, она поднимется по стенкам и вытечет наружу через горлышко. Кроме того, я помню, что слышал, будто бы сверхтекучие вещества сохраняют текучесть даже при абсолютном нуле. Не помню, при каких обстоятельствах я услышал об этом в девонской деревне в середине 90-х, но я рад, что это случилось. И многое из того, что восьмилетки из начальной школы Оттери-Сент-Мэри считали непреложной истиной, по счастью, действительно было правдой[110]. Гелий – единственное известное вещество, приобретающее сверхтекучесть путем одного только охлаждения. Были созданы и другие сверхтекучие среды, но для них требуются чрезвычайно сложные установки или огромные давления: например, считается, что сверхтекучую среду образуют нейтроны в нейтронных звездах. Тем не менее этим экзотическим материалам начинают находить практическое применение на Земле. Один стартап, занимающийся квантовыми компьютерами, даже планирует производить работающие кубиты с использованием сверхтекучего гелия.
Магические свойства сверхтекучих сред порождаются отсутствием вязкости. Вязкость определяет, насколько текуче то или иное вещество: например, паста «Мармайт»[111] считается вязкой, а вода – нет. Зыбучий песок, в котором рисковали утонуть беспечные посетители пустынь до его загадочного исчезновения из популярной культуры в середине 1990-х годов, опасен именно потому, что обладает переменной вязкостью: эта смесь песка и воды имеет высокую вязкость, почти превращающую ее в твердое вещество, пока на нее не встанешь; в этот момент она начинает свободно растекаться, затягивая свою жертву к верной гибели.
Сверхтекучесть означает вязкость, точно равную нулю. Способность сверхтекучих сред вытекать из сосуда называют фонтанным эффектом; на самом деле сходное свойство проявляют и обычные жидкости, но в гораздо меньшей степени. Под действием поверхностного натяжения жидкость немного поднимается по стенкам сосуда, образуя мениск – направленное вверх искривление, которое можно увидеть по краям, например, чашки с чаем. К счастью для любителей чая, вязкость обычных жидкостей не позволяет им подниматься по стенкам слишком высоко. Тем не менее и этот классический эффект можно использовать в фокусе.