Глава 1
Непостоянная материя
Немногие части галактики так же холодны, как пространство внутри холодильной установки в лаборатории Тома Розенбаума. Температура в установке – круглом аппарате размером с комнату, оснащенном цилиндрами, – может опускаться до отметки лишь на несколько тысячных градуса выше абсолютного нуля. Это почти -459 градусов по Фаренгейту – в три тысячи раз холоднее, чем в самых отдаленных глубинах космоса. В течение двух дней жидкий азот и гелий циркулируют в холодильной установке, а затем три помпы, постоянно выдувающие газообразный гелий, опускают температуру до возможного предела. В отсутствие какого бы то ни было тепла атомы материи замедляют свое движение. При такой низкой температуре Вселенная бы остановилась. Такая установка – искусственный вариант ледяного ада.
Абсолютный нуль – наиболее «предпочтительная» температура для таких физиков, как Том Розенбаум. В свои 47 лет, будучи выдающимся профессором физики в Чикагском университете, а в прошлом главой института Джеймса Франка, Розенбаум входил в группу ведущих специалистов, занимавшихся исследованием пределов неупорядоченности в физике конденсированного состояния вещества – науке о внутренних процессах в жидкостях и твердых веществах, возникающих при нарушении их структуры [26]. В физике, если вы хотите узнать, как нечто себя ведет, проще всего поместить это нечто в неподходящие условия и посмотреть, что из этого получится. Нарушение структуры обычно достигается с помощью нагревания или воздействия магнитным полем, что позволяет увидеть, как интересующая нас субстанция будет реагировать, а также определить, какое направление вращения, или магнитной ориентации, выберут атомы.
Большинство коллег Розенбаума в сфере физики конденсированного состояния вещества занимаются симметричными системами, такими как кристаллические твердые вещества. Атомы таких веществ расположены в определенном порядке, как яйца в коробке. Но Розенбаума интересовали странные системы, изначально неупорядоченные – о них квантовые физики более традиционных взглядов презрительно отзывались как о «грязи». Розенбаум был убежден, что в «грязи» сокрыты тайны квантовой вселенной, неисследованной территории, по которой он увлеченно прокладывал курс. Ему нравилось раскрывать секреты спинового стекла – странных гибридов кристаллов, обладающих магнитными свойствами и технически относящихся к медленно движущимся жидкостям. В отличие от кристалла, чьи атомы движутся в одном направлении, атомы спинового стекла непредсказуемы и застывают в беспорядке.
Использование крайне низких температур позволило Розенбауму настолько замедлить атомы этих странных субстанций, что стало возможным детальное наблюдение и выявление их квантово-механической сущности. При температуре, близкой к абсолютному нулю, когда атомы практически неподвижны, вещества начинают приобретать новые общие свойства. Розенбаум пришел в восторг от недавнего открытия, что неупорядоченные при комнатной температуре системы демонстрируют постоянство, подвергшись охлаждению. Разрозненные атомы неожиданно начинают действовать согласованно.
Исследования группового взаимодействия молекул в различных обстоятельствах позволяют многое узнать о внутренней природе материи. Лаборатория Розенбаума показалась мне самым подходящим местом для начала моего собственного путешествия к открытиям. Там, при самых низких температурах, где все происходит в замедленном темпе, может открыться истинная природа базовых составляющих вселенной. Меня интересовало, как компоненты нашей физической вселенной, которые мы считаем абсолютно стабильными, могут подвергаться фундаментальным изменениям. Я также хотела узнать, возможно ли показать, что квантовые явления, такие как эффект наблюдателя, имеют место за пределами субатомного мира, в мире повседневном. Открытия Розенбаума, сделанные им с помощью холодильной установки, могли многое прояснить в отношении того, как всякий объект или организм в физическом мире, который считается в классической физике неизменным и окончательным, подверженным только воздействиям грубых ньютоновских сил, может быть изменен энергией мысли.
Согласно второму закону термодинамики, все физические процессы во вселенной происходят лишь по пути убывания энергии. Мы бросаем камень в воду, и круги, вызванные им на поверхности, постепенно исчезают.
Чашка горячего кофе, оставленная на столе, постепенно остывает. Все неумолимо распадается, все движется в единственном направлении – от упорядоченности к неупорядоченности.
Но Розенбаум полагал, что этот процесс может быть обратимым. Последние открытия, касающиеся неупорядоченных систем, свидетельствуют о том, что определенные материалы при особых обстоятельствах могут не подчиняться законам энтропии и воссоединяться вместо того, чтобы распадаться. Возможно ли движение материи в противоположном направлении – от неупорядоченности к упорядоченности?
На протяжении 10 лет Розенбаум и его студенты из Института Джеймса Франка пытались ответить на этот вопрос с помощью кусочка фтористо-гольмиево-литиевой соли. Внутри холодильной установки Розенбаума лежал розовый кристалл, завернутый в два слоя меди. По размеру он не превышал и кончика карандаша. За много лет работы со спиновым стеклом Розенбаум очень увлекся этими блестящими маленькими структурами, являющимися одними из наиболее мощных магнитов на Земле. Эта характеристика давала отличную возможность для изучения неупорядоченности. Но сначала нужно было изменить до неузнаваемости сам кристалл, превратив его в неупорядоченное вещество.
Розенбаум распорядился, чтобы в лаборатории, где выращивались кристаллы, соединили гольмий, фтор и литий, первый металл в Периодической таблице. Получившаяся фтористо-гольмиево-литиевая соль была податливой и предсказуемой – высоко упорядоченная структура, чьи атомы вели себя подобно морю микроскопических компасов, показывающих на Север. И тогда Розенбаум при содействии своих сотрудников вывернул структуру соли наизнанку: он извлекал один за другим атомы гольмия и заменял их иттрием – серебристым металлом, не обладающим магнитными свойствами – пока в итоге не получился странный гибрид первоначальной структуры соли под названием литиево-гольмиево-иттриевый тетрафторид.
Убрав все магнитные свойства из этой структуры, Розенбаум породил «спиновую анархию» – атомы этого «Франкенштейна» были ориентированы во всех существующих направлениях. Возможность манипулировать основными свойствами элементов, подобных гольмию, с такой легкостью, порождая странные новые структуры, имела привкус безграничной власти над самой материей. Вооруженный новыми спиновыми стеклами, Розенбаум мог изменять свойства вещества по своему желанию: заставить атомы принять одно направление или заморозить их в каком-либо случайном расположении.
Тем не менее его всемогущество имело пределы. Гольмиевые смеси Розенбаума упрямо вели себя по-своему в некоторых отношениях. Он никак не мог заставить их подчиняться законам температуры. Вне зависимости от того, насколько низкой была температура в холодильной установке, атомы противостояли всякой упорядоченности, словно отряд солдат, отказывающихся маршировать в ногу. Если Розенбаум был «Богом» своих спиновых стекол, то кристалл был «Адамом», упрямо не желавшим подчиняться его наиглавнейшему закону.
