Лоуренс Краусс - Таємниці походження всесвіту

Проте ефект Мейснера цим не обмежується. У випадку надпровідника ніякі магнітні поля – навіть постійні магнітні поля на кшталт спричинених зображеним вище магнітом – не можуть проникнути всередину нього через те, що, якщо повільно наближати до нього здалеку магніт, надпровідник генеруватиме струм, котрий протидіятиме змінному магнітному полю, яке збільшується в міру наближення магніту. Але оскільки речовина надпровідна, струм не перестає протікати навіть після того, як магніт перестає рухатися. Якщо ж присунути магніт іще ближче, для протидії новому зростанню магнітного поля починає протікати сильніший струм. І так далі. Отже, через те, що струми в надпровіднику здатні протікати, не розсіюючись, екрануються не лише електричні, але й магнітні поля. Ось чому магніти левітують над надпровідниками. Струми в надпровіднику відбивають спричинене зовнішнім магнітом магнітне поле й за рахунок цього відштовхують магніт точно так само, наче на поверхні надпровідника перебуває інший магніт, чиї північний і південний полюси розташовані так само, як і в зовнішнього магніту.

Брати Лондони, які перші спробували пояснити ефект Мейснера, вивели рівняння, яке описувало цей феномен усередині надпровідника. Результат наводив на роздуми. Кожен різновид надпровідників утворює під своєю поверхнею унікальну характеристичну розмірність довжини, що визначається мікроскопічною природою надструмів, що утворюються для врівноваження будь-якого зовнішнього поля, і будь-яке зовнішнє магнітне поле нівелюється саме в цьому масштабі довжини. Вона називається лондонівською глибиною проникнення. Ця глибина різна для різних надпровідників і залежить від особливостей їхньої мікрофізики в спосіб, який брати визначити не змогли, оскільки на той час не мали у своєму розпорядженні мікроскопічної теорії надпровідності.

Разом із тим саме існування глибини проникнення вражає, оскільки з цього випливає, що всередині напівпровідника електромагнітне поле поводиться інакше: воно вже не є далекосяжним. Але якщо під поверхнею електромагнітні поля стають близькодійними, тоді носій електромагнітних сил повинен поводитися інакше. Підсумковий наслідок? Усередині надпровідника фотон поводиться так, наче має масу.

Під поверхнею надпровідників віртуальні фотони – а також електричне й магнітне поля, які вони переносять, – можуть поширюватися лише в межах відстані, порівнюваної з лондонівською глибиною проникнення, точно так само, як було б у випадку, якби електромагнетизм усередині надпровідника виникав унаслідок обміну масивними, а не безмасовими фотонами.

Тепер уявімо, як виглядало б життя всередині напівпровідника. Електромагнетизм був би близькодійною силою, фотони – масивними, а вся звична фізика, пов’язана з електромагнетизмом як далекосяжною силою, зникла б.

Хочу підкреслити, наскільки це дивовижно. Жоден експеримент, який можна було б провести всередині надпровідника, допоки він лишається надпровідником, не показав би, що в зовнішньому світі фотони є безмасовими. Якби ви були Платоновим філософом усередині такого надпровідника, вам довелося б інтуїтивно вирахувати неймовірний обсяг фактажу щодо зовнішнього світу, і лише потім ви змогли б зробити висновок, що причиною цієї ілюзії є якийсь таємничий та невидимий феномен. Могло б знадобитися кілька тисяч років роздумів та експериментів, перш ніж ви чи ваші нащадки змогли б здогадатися, якою є природа реальності в основі тіньового світу, у якому ви живете, чи побудувати пристрій із достатньою кількістю енергії для розриву куперівських пар та розтоплення стану надпровідності, відновлення нормальної форми електромагнетизму й відкриття, що фотон є безмасовим.

У ретроспективі ми, фізики, виходячи лише з міркувань симетрії й не розглядаючи безпосередньо ефект Мейснера, мали б очікувати, що фотони всередині надпровідника повинні поводитися як масивні частинки. Конденсат куперівських пар, який складається з електронних пар, має підсумковий електричний заряд. Це порушує калібрувальну симетрію електромагнетизму, оскільки на цьому тлі будь-які додані до речовини позитивні заряди поводитимуться інакше, ніж додані негативні заряди. Проте згадаймо, що безмасовість фотонів є ознакою того, що електромагнітне поле далекосяжне, і далекосяжна природа електромагнітного поля відображає той факт, що вона дозволяє локальним варіаціям визначення електричного заряду в одному місці не впливати на фізику глобально у всій речовині. Проте якщо калібрувальної інваріантності немає, локальні варіації визначення електричного заряду матимуть реальні фізичні наслідки, тож далекосяжне поле, що нівелює всі такі варіації, існувати не може. Один зі способів позбутися далекосяжного поля – зробити фотон масивним.