Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Якщо тепер повернутися до світу захололих вікон, то в результаті охолодження систем властивості матеріалів можуть змінюватися. Вода застигає, гази зріджуються тощо. У фізиці така зміна називається фазовим переходом, і, як показує приклад із вікном, коли система переживає фазовий перехід, нерідко виявляється, що симетрії, пов’язані з однією фазою, в іншій фазі зникають. Приміром, до застигання криги в кристали на вікні краплі води не розташовувалися б настільки впорядковано.

Один із найприголомшливіших фазових переходів, що їх коли-небудь спостерігали в науці, уперше побачив на власні очі 8 квітня 1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес. Оннес дивовижним чином умів охолоджувати речовини до недосяжних раніше температур, і він став першою людиною, яка зрідила гелій, остудивши його до температури, лише на чотири градуси вищої за абсолютний нуль. За цю експериментальну звитягу він пізніше отримав Нобелівську премію. Коли 8 квітня він охолоджував ртутний дріт у ванні з рідкого гелію до температури, на 4,2 градуса вищої за абсолютний нуль, одночасно вимірюючи його електричний опір, він із превеликим подивом виявив, що опір раптом упав до нуля. Струм, який почав протікати дротом, міг продовжувати робити це нескінченно довго навіть після прибирання батареї, яка його спричинила. Продемонструвавши, що його талант піарника аж ніяк не поступався обдаруванню експериментатора, він запропонував для опису цього визначного й зовсім несподіваного результату термін надпровідність.

Надпровідність була настільки несподіваною й дивною, що мине майже п’ятдесят років після відкриття квантової механіки, від якої вона залежить, перш ніж 1957 року (того ж року, коли було виявлено порушення парності, а Швінґер запропонував модель, яка була спробою об’єднати слабку й електромагнітну взаємодію) команда в складі Джона Бардіна, Леона Купера та Роберта Шріффера розробить його разюче фізичне пояснення. Їхня робота була тріумфом винахідливості й спиралася на низку проникливих здогадок, зроблених упродовж кількох десятиліть наполегливої праці. У підсумку це пояснення спирається на несподіваний феномен, який може мати місце лише в певних речовинах.

У порожньому просторі електрони відштовхують інші електрони, оскільки заряди з однаковим знаком взаємовідштовхуються. Проте в деяких речовинах при охолодженні електрони здатні зв’язуватися з іншими електронами. У таких речовинах це відбувається через те, що вільний електрон схильний збирати навколо себе позитивно заряджені іони. Якщо температура дуже-дуже низька, інший електрон може притягнутися до позитивно зарядженого поля навколо першого електрона. Пари електронів можуть зв’язуватися докупи, при цьому роль, так би мовити, клею виконує позитивно заряджене поле, утворене притяганням першого електрона до кристалічної ґратки позитивних зарядів, пов’язаних з атомами речовини.

Оскільки ядра атомів важкі й утримуються на місці відносно сильними атомними силами, перший електрон дещо викривляє ґратку сусідніх атомів, підсуваючи деякі з них трохи ближче до себе, ніж вони мали б бути. Викривлення ґратки зазвичай викликають у речовині вібрації, або звукові хвилі. У квантовому світі ці вібрації квантуються й називаються фононами. Леон Купер відкрив, що ці фонони здатні зв’язувати пари електронів таким чином, як я описав вище, тож ці пари дістали назву куперівських пар.

Далі відбувається справжня магія квантової механіки. Коли ртуть (або якась інша з цих особливих речовин) охолоджується до температури, нижчої за певний поріг, відбувається фазовий перехід, і всі куперівські пари раптом зливаються в єдиний квантовий стан. Цей феномен, який дістав назву конденсації Бозе – Ейнштейна, відбувається тому, що, на відміну від ферміонів, частинки з цілим квантово-механічним спіном, такі як фотони, та навіть частинки з нульовим спіном полюбляють гуртом перебувати в одному й тому ж стані. Цю ідею вперше висловив індійський фізик Шатьєндранат Бозе, а пізніше розвинув Ейнштейн. І знов-таки ключову роль відіграло світло, оскільки аналіз Бозе включав у себе статистику фотонів, і конденсація Бозе – Ейнштейна тісно пов’язана з фізикою, яка керує лазерами, у яких багато окремих фотонів в одному стані поводяться когерентно. З цієї причини частинки з цілим спіном на кшталт фотонів назвали бозонами, аби відрізняти їх від ферміонів.

За кімнатної температури в газі чи твердому тілі зазвичай відбувається настільки багато зіткнень між частинками, що їхні індивідуальні стани стрімко змінюються, і ніяка колективна поведінка неможлива. Проте газ бозонів за достатньо низької температури може злитися в конденсат Бозе – Ейнштейна, у якому ідентичності окремих частинок зникають. Система в цілому поводиться як єдиний, подеколи макроскопічний об’єкт, проте в цьому випадку його поведінка визначається правилами квантової, а не класичної механіки.