Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Список элементарных частиц существенно короче английского алфавита и гораздо короче периодической системы Менделеева. Вместе с законами, описывающими силы — их всего четыре, — составляющих из этого списка достаточно, чтобы эффективно и успешно описать материю. Об этом я расскажу в следующей главе. Здесь же мы остановимся на заманчивых гипотезах о том, как можно сделать описание материи еще компактнее.

Но сначала я хотел бы рассмотреть будущее элементов построения мира под другим углом зрения. Я опишу две стратегии «изготовления» новых полезных «элементарных частиц». Обе они вдохновлены самой природой. Одна — появившаяся под влиянием физики — основана на движении снаружи внутрь. Другая, фундаментом которой стала биология, предлагает двигаться изнутри наружу.

Творение частиц, версия первая: о дивный новый мир

Те же представления, на которые мы опирались, анализируя мир в целом, можно отнести и к веществам. Если в материю добавить немного энергии, заряда или спина, в большинстве случаев обусловленное этим возмущение соответствует некоторому количеству дискретных «порций», или, иначе, квантов. Эти «потусторонние» возмущения называют квазичастицами. Свойства квазичастиц могут быть совсем не такими, как у элементарных частиц в пустом пространстве.

Дырки — простой, но чрезвычайно важный класс квазичастиц. Внутри типичного твердого тела много электронов. Когда твердое тело находится в равновесии, они расположены согласно определенной схеме. Теперь представьте себе, что один электрон вынули — и там, где он должен был быть, образовалась пустота. После того как все успокоится, что может произойти довольно быстро, обычно остается квазичастица. В связи с тем, что появилась она как результат отсутствия одного электрона, ее электрический заряд равен +1 (напомним, заряд электрона равен –1). Мы называем такую квазичастицу дыркой[55].

Дырки дают нам положительно заряженные (квази)частицы, работать с которыми гораздо легче, чем с их ближайшим аналогом в пустом пространстве — протонами. Дырки играют важнейшую роль в транзисторах и вообще во всей современной электронике. Когда стало понятно, как создавать и использовать дырки, мир изменился.

В других случаях квазичастицы — «кровные родственники» элементарных частиц пустого пространства. Их свойства существенно меняются, когда они оказываются внутри материала. Прекрасный пример связан со сверхпроводимостью. Когда фотоны попадают в сверхпроводник, их масса меняется: теперь она чрезвычайно мала, но не равна нулю. Она зависит от сверхпроводника; ее характерное значение — порядка одной миллионной массы электрона. Для опытного физика появление массы у фотона и есть суть сверхпроводимости[56].

Мои первые работы по физике касались традиционных элементарных частиц. Но еще намного раньше, во время школьной экскурсии в Bell Labs, произошел случай, врезавшийся мне в память и в конечном счете изменивший мою жизнь. Один из ученых, пытаясь объяснить, чем он занимается, упомянул, что фононы — это кванты колебаний. Я не понял, о чем он говорит, но подумал: это самая классная штука, о которой я когда-либо слышал, — три таинственных понятия, у каждого свое звучное название, и все каким-то образом связаны. По пути домой я пытался разгадать эту загадку и нашел такой ответ: материя сама по себе — целый мир, отличный от нашего, и обитают там свои частицы, отличные от наших. Мне эта идея понравилась.

Открытие новых элементарных частиц происходит медленно. Еще в 1970-х годах все частицы, упомянутые выше, а также те, о которых можно прочесть в приложении к книге, были уже известны, или их существование уверенно предсказывалось. С другой стороны, мир квазичастиц открывает огромный простор для воображения и творчества. Та школьная экскурсия приоткрыла мне новые горизонты.

Через пятнадцать лет я наконец добрался до этих горизонтов. Здесь я упомяну только об одном важном событии. Энионы — квазичастицы с простой памятью. Я ввел такие квазичастицы и дал им название в 1982 году. Сначала это было чисто умозрительным упражнением. Я хотел продемонстрировать, что квазичастицы могут иметь дополнительное свойство — крохотную память о взаимодействиях с другими квазичастицами. (Позднее я узнал, что два норвежских физика Йон Магне Лейнаас и Ян Мирхейм пришли к схожим выводам раньше.) В то время я не думал ни о каком конкретном веществе.

Однако через несколько месяцев я узнал об открытии, получившем название дробный квантовый эффект Холла (ДКЭХ)[57]. В веществах, где наблюдается ДКЭХ, инжектированный электрон делится на несколько квазичастиц. Каждая из них несет электрический заряд, составляющий долю заряда электрона. Я понял, что такие квазичастицы должны очень своеобразно взаимодействовать друг с другом. Это и заставило меня заподозрить, что они могут быть энионами. В 1984 году нам с Дэном Аровасом и Робертом Шиффером удалось доказать, что это действительно так.