Хаос. Создание новой науки - Джеймс Глик

Теоретик проделывает эксперименты мысленно, а экспериментатору приходится еще и действовать руками. Теоретик – мыслитель, экспериментатор – ремесленник; первому не нужен помощник, второй вынужден «вербовать» аспирантов, уговаривать механиков, обхаживать ассистентов лаборатории. Теоретик работает там, где нет шума и грязи; экспериментатор связан с объектом опыта так же тесно, как и скульптор в мастерской, который часами прикован к бесформенной глине и старается то ласковым, то резким движением придать ей нужную форму. Теоретик может мысленно представлять своих коллег подобно наивному Ромео, грезящему о прекрасной Джульетте, а соратники экспериментатора, часами просиживающие в лаборатории, жалуются, курят, потеют.

Эти двое нужны друг другу, однако в их отношения вкрадывается доля неравенства еще с тех древних времен, когда всякий ученый и размышлял, и ставил опыты одновременно. Хотя в некоторых, самых лучших экспериментаторах осталось что-то от теоретика, обратное неверно. В конечном счете престиж теоретиков оказывается выше. Особенно ярко это проявляется в физике высоких энергий: теоретики буквально купаются в лучах славы, в то время как экспериментаторы становятся техниками высокой квалификации, имеющими дело с дорогостоящим и сложным оборудованием. В послевоенные десятилетия, когда физика определялась исследованием элементарных частиц, лучшими из обнародованных экспериментов стали те, что проводились на ускорителях частиц. Симметрия, спин, цвет и аромат кварков – эти абстракции зачаровывали. Для тех, кто не принадлежал к академической среде, но следил за наукой, и для изрядного количества ученых изучение элементарных частиц и было физикой. Однако переход к изучению все более и более мелких частиц в кратчайших временных промежутках требовал все более высокой энергии, а значит, модернизации оборудования. Экспериментальная ветвь физики элементарных частиц с годами прогрессировала, в ней трудилось множество ученых, над постановкой крупных опытов работали целые команды. Статьи по физике частиц в журнале PhysicalReviewLettersвсегда выделялись тем, что перечень авторов занимал едва ли не четверть публикации.

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;TBellв 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?