Джеймс Глик - Хаос. Создание новой науки

Некоторые экспериментаторы, впрочем, предпочитали работать в одиночестве, на худой конец вдвоем. В своих опытах они задействовали те вещества, которые были доступны. В то время как определенные разделы физической науки, вроде гидродинамики, утрачивали актуальность, физика твердого тела, наоборот, выходила на первый план. Подведомственная ей сфера исследований расширилась настолько, что название дисциплины следовало бы поменять на более точное – «физика конденсированного состояния», то есть физика материалов. В этой области оборудование было куда проще, а разрыв между теоретиками и экспериментаторами – намного меньше. Первые не проявляли чрезмерного снобизма, а вторые не пытались от них обороняться.

При всем том они на многое смотрели по-разному. В частности, теоретик запросто мог, прервав доклад экспериментатора, осведомиться: нельзя ли добавить побольше данных, чтобы сделать их более убедительными? Не кажется ли вам, что этот график несколько неясен? Не должна ли эта величина меняться в более широких пределах?

В ответ Гарри Суинни, выпрямившись во весь свой рост (около пяти с половиной футов), мог произнести с природным очарованием уроженца Луизианы, в котором чувствовалась, однако, нью-йоркская вспыльчивость: «Это верно. При условии, что мы имеем бесконечно много „чистых“ экспериментальных данных. – И, резко повернувшись к доске, добавить: – Но в действительности в нашем распоряжении лишь ограниченное количество информации, да и то с погрешностями» [188].

Суинни ставил опыты с веществами. Еще будучи аспирантом Университета Джонса Хопкинса, он почувствовал осязаемое очарование физики частиц, и это стало поворотным пунктом в его судьбе. Поговорив как-то с Марри Гелл-Манном, от которого буквально веяло энтузиазмом, Суинни не устоял. Однако, когда он поинтересовался, чем заняты аспиранты, выя снилось, что все они писали компьютерные программы или паяли искровые камеры. Именно тогда Суинни начал общаться с опытным физиком, который приступил к исследованию фазовых переходов от твердого тела к жидкости, от немагнитного вещества к магниту, от проводника к сверхпроводнику. Довольно долгое время Суинни ютился в небольшой комнате размером с чулан, зато он обитал там один. Он стал заказывать приборы по каталогу, и вскоре в его скромном жилище появились лабораторный стол, лазер, зонды и кое-какое холодильное оборудование. Суинни сконструировал прибор для измерения теплопроводности углекислого газа вблизи точки конденсации. Многие физики полагали, что изменения теплопроводности незначительны, однако Суинни понял, что это заблуждение: теплопроводность могла изменяться в тысячу раз. Все это будоражило: один, в крошечной комнате, он открыл нечто доселе неизвестное. Он увидел потустороннее свечение паров вещества, любой субстанции, вблизи критической точки – свечение, названное «опалесценцией» из-за беловатой опаловой окраски рассеивающихся лучей.

Как и многие хаотичные по своей природе явления, фазовые переходы характеризуются особым типом макроскопического поведения, предугадать которое, глядя на мельчайшие фрагменты, весьма сложно. При нагревании твердого тела его молекулы начинают вибрировать под действием поступающей энергии. Они устремляются к поверхности, противодействуя связывающим их силам, и тем самым вызывают расширение объема вещества. Чем сильнее нагрев, тем больше расширяется вещество, и как лопается веревка после долгого растягивания, так и изменения становятся непредсказуемыми и прерывистыми при определенных давлении и температуре. Кристаллическая структура постепенно исчезает, и молекулы удаляются друг от друга, повинуясь установленным для жидкости законам, которые нельзя вывести из закономерностей, определенных для твердого тела. Средняя энергия атома лишь слегка поменялась, однако вещество теперь стало жидкостью, магнитом или сверхпроводником, то есть приобрело новое качество.

Гюнтер Алерс в лабораториях корпорации AT amp;TBell в Нью-Джерси исследовал так называемый переход в сверхтекучее состояние в жидком гелии, когда по мере падения температуры твердое вещество превращается в жидкость с волшебными свойствами, не обнаруживающую явно выраженной вязкости или трения. Другие же занимались сверхпроводимостью. Суинни исследовал точку фазового перехода между жидкостью и паром. Он, Алерс, Пьер Берг, Джерри Голлаб, Марцио Джиглио и другие экспериментаторы в США, Франции и Италии – новое поколение физиков, занимавшихся фазовыми переходами, – в середине 1970-х годов искали новые задачи для исследований. Подобно тому как почтальон знает во всех подробностях все аллеи и дома своего участка, так и они знали наизусть все особые признаки вещества, меняющего свое состояние. Они изучали предел равновесного состояния вещества.

Все исследователи фазовых переходов, почувствовав под собой коварную трясину сомнений, ступали на спасительные камни аналогии. Фазовый переход от немагнитного состояния к магнитному оказался подобен переходу «жидкость – пар». Переход от обычной жидкости к сверхтекучей демонстрировал подобие перехода от проводника к сверхпроводнику. Математические вычисления, описывающие один опыт, применялись к множеству других, и в течение 1970-х годов проблема была почти решена. Вопрос заключался лишь в том, как далеко можно распространить вновь созданную теорию. Какие иные изменения в окружающем нас мире при их ближайшем рассмотрении окажутся фазовыми переходами?

Использование технических приемов, практикуемых при изучении фазовых переходов, для исследования потоков жидкости нельзя назвать ни сверхоригинальной идеей, ни самоочевидным подходом. На особую оригинальность он не мог претендовать, потому что еще в начале XX века величайшие ученые – пионеры гидродинамики Рейнольдc, Рэлей и их последователи – заметили, что в ходе тщательно контролируемого эксперимента с жидкостью движение ее качественно меняется: с математической точки зрения происходит бифуркация. Например, при нагревании снизу сосуда с жидкостью она из состояния покоя приходит в движение. Соблазн был слишком велик, и, поддавшись ему, специалисты предположили, что физическая природа такой бифуркации напоминает происходящее в веществе при фазовых переходах.

Подобные эксперименты были не самым очевидным решением в силу того, что описанные бифуркации в жидкости, в отличие от фазовых переходов, не вызывали изменения в самом веществе, но добавляли вместо этого новый элемент – движение. Жидкость из состояния покоя переходит к движению. По какой причине математическое описание подобных перемен должно соответствовать уравнениям для конденсирующегося пара?