Фрэнк Вильчек - Основы реальности

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.

С тех пор я с радостью занимался энионами и сотни других физиков примкнули к нашей «партии». Если память энионов удастся использовать для хранения и обработки информации, есть надежда, что они станут строительными блоками квантовых компьютеров. Для достижения этой цели «Майкрософт» тратит на исследования большие деньги.

Физики и инженеры-изобретатели предложили много других интересных и потенциально полезных квазичастиц. И называются они очень симпатично: спинон, плазмон, поляритон, флюксон и мой любимец — экситон. Одни из них хорошо поглощают энергию излучения, другие — переносят ее с одного места на другое. Если объединить эти два качества, можно использовать их для создания высокоэффективных солнечных энергетических систем.

Дивные новые материи с удивительными квазичастицами станут важной частью будущего. Метаматериаловедение — активно развивающаяся область, целенаправленно занимающаяся их созданием.

Если свыкнуться с мыслью о том, что вещества — пристанище для квазичастиц, неизбежно встает принципиальный вопрос: можно ли и «пустое пространство» считать веществом, квазичастицы которого представляют собой наши элементарные частицы? Можно и должно. Как вы увидите в следующих главах, это очень плодотворное направление рассуждений.

Творение частиц, версия вторая: умные материалы

Биологи предлагают другой сценарий будущего материи. Клетки — «элементарные частицы» самой жизни. Они различаются по форме и размерам, но у всех у них много общих механизмов, позволяющих им функционировать и как вместилища информации, и как химические фабрики. А еще у них свои способы взаимодействия с внешним миром, помогающие накапливать ресурсы и обмениваться информацией.

Клетки — высокоорганизованные физические объекты. Создание с нуля их искусственных аналогов с теми же основными функциональными возможностями — задача исключительной сложности. Если ее удастся решить, станет возможно заменять больные или состарившиеся клетки организма или наделять их новыми способностями, такими как биологическая переработка токсичных отходов в безвредные или полезные материалы. Более практичная краткосрочная стратегия, все успешнее реализуемая многими молекулярными биологами, состоит в небольших модификациях уже существующих типов клеток.

С другой стороны, можно брать пример с биологии, не копируя ее буквально. Машины — это не лошади на колесах, аэропланы — не металлические птицы, а роботы-помощники не обязаны напоминать людей.

Уникальная способность биологических клеток, для которой современные инженеры не могут подобрать даже близкого аналога, — регулируемое воспроизводство. В достаточно благоприятных условиях клетки накапливают необходимые ресурсы для создания новых своих копий — близких, но необязательно точных. Такие различия клеток не случайны, а определяются содержащимися в них программами.

Самовоспроизведение благоприятствует экспоненциальному росту. Если начать с одной клетки, через десять поколений деления появится более тысячи, а через примерно сорок поколений — триллионы, которых хватит для создания тела человека. Различие программ, то есть регулируемость, позволяет генерировать специальные клетки, ответственные за различные функции, — клетки мышц, клетки крови и нейроны.

Возможно, удастся выработать подобные механизмы самовоспроизводства для искусственных элементов, существенно менее сложных в сравнении с биологическими клетками. Успех вероятнее, если поставить более простую цель, чем создание жизнеспособных биологических организмов. Но подобный проект по грандиозности не уступает терраформированию планеты [58]и созданию огромных, величиной с гору, компьютеров. Все подобные проекты очень схожи по структуре и одинаково снисходительно относятся к деталям. Но регулируемое самовоспроизводство — идея столь перспективная, что, я уверен, в инженерии будущего она займет подобающее место.

Фундаментальные [59]физические законы работают совсем не так, как человеческие. У людей много законов, они разные в разных местах и со временем меняются. Наши законы допускают различные варианты поведения и реагирования. Они не обоснованы длинными цепочками доказательств и однозначных выводов, поэтому эксперты могут толковать их по-разному.

Фундаментальные законы физики работают иначе, причем в каждом из пунктов. Их очень мало, они одинаковы всегда и везде и просто описывают то, что должно произойти. Они записаны в форме математических уравнений, куда входят строго определенные величины, что не оставляет места для неопределенности или несогласия между компетентными экспертами. Вывести следствия из этих законов — вопрос расчета, который можно поручить компьютеру.

Детские представления о мироустройстве, автоматически сохраняющиеся у многих взрослых, гораздо ближе к «человеческой» модели, чем к совершенным законам физики. У нас есть опыт, на основании которого мы оцениваем варианты и делаем выбор. Создается впечатление, что наш мысленный выбор влияет и на физический мир. В частности, представляется, что именно так мы контролируем движение тела. Основываясь на эмпирических правилах, мы предполагаем, как поведут себя те или иные люди и предметы, и только изредка задействуем логические рассуждения и расчеты. Никто не ходит, не ездит на мотоцикле и не ловит летящий мяч на основании законов движения Ньютона, не говоря уже о квантовой теории материи.