Мистика твердого тела

Если систему очень плотно контролировать, она перестает двигаться. Интервью с профессором Сколтеха Борисом Файном

Когда мы рассуждаем об идеалах, беспорядках или щах, в самом деле мы так или иначе говорим о динамической термализации, квантовой декогерентности, хаосе и, может быть, эффекте Зенона. Просто чтобы осознать это, надо поговорить с ученым человеком. Например, с профессором Сколтеха Борисом Файном, заведующим лабораторией физики сложных квантовых систем МФТИ.

Борис Файн — один из ведущих современных специалистов в физике твердого тела, который изучает проблемы сверхпроводимости и хаоса.

В ходе этой беседы нам удалось не просто сравнить поведение человека и атома, попытаться понять, чем большое отличается от малого, а также выяснить, как хаос помогает развитию. Мы почти добрались до главного — магии повседневности, за которую бьется не только физика твердого тела, но и вообще любое тело, так или иначе появившееся на свет.

— Наука для меня, гуманитария, это не область непонятных мне знаний, а своего рода тайная запись в конечном итоге вполне понятных вещей. Поэтому мне, прежде всего, интересно само по себе желание вести такую запись. Скажите — как человек становится ученым? Как это случилось, например, с вами?

— Ух ты. Наверное, постепенно. Для этого, видимо, важно иметь помимо всяких интеллектуальных способностей такую, знаете, природную любознательность. Что-то должно быть просто интересно. Были вещи, которые мне были интересны, когда я был школьником, и многие из тех вещей интересны мне до сих пор.

Вообще, в школе я больше интересовался математикой, физикой я занялся потом. Люди осознают себя физиками в более сознательном возрасте. Так вот в математике меня тогда очень интересовал вопрос, можно ли автоматизировать доказательство геометрических задач.

Наверное, у меня были какие-то разумные математические способности. Родители у меня инженеры, дедушка был преподавателем математики в техникуме. В семье взрослые считали, что математика — важная наука, наверное, это передается детям.

Я помню, мне нравилось решать трудные задачи, и чем труднее, тем лучше. В школе выдавали учебники на следующий год.

Я получал учебник, приходил домой, лез в конец, смотрел, какие там задачи повышенной сложности и сразу начинал их решать.

Сейчас я понимаю, что далеко не у каждого есть такой вот естественный интерес к чему-то сложному. А у меня он был, и так получилось, что я стал ученым.

— А как вы поняли, что ваше дело — физика, тем более физика твердого тела?

— Когда я перешел в МФТИ, то попал в группу при институте Капицы (Институт физических проблем им. П.Л. Капицы РАН. — Ред.). Это было не вполне осознанное решение, были случайные стечения обстоятельств, но я сразу проникся этой комбинацией сложности и — что особенно важно в физике твердого тела — связью с экспериментом.

Я понял, что физика — это не абстракция.

Конечно, важна была еще и фундаментальность задач. Ведь вопросы, которые тогда решала физика твердого тела, наверное, не сильно отличаются от того, что она решает сейчас. Главные проблемы не решены до сих пор. Может быть, меняется стиль научной работы. Раньше ее можно было бы отнести к стилю классицизма, сейчас в научной работе появляются такие элементы барокко — всякие украшения, все должно быть теперь в физике ярко. Но за этой яркостью все равно стоят глубокие задачи, над которыми думают серьезные люди.

— Вы могли бы перечислить хотя бы несколько таких задач?

— Область, которой я до сих пор занимаюсь, называется «высокотемпературная сверхпроводимость». Она была открыта в 1986 году, в 1987 году за нее дали Нобелевскую премию, но мы до сих пор не понимаем механизм этого явления. Многие этим занимались, часто провозглашались прорывы, но впечатление было ошибочным. Явление сложное, система, в которой оно наблюдается, тоже сложная.

Наука понимает здесь один предел, понимает другой предел, а само явление тем временем — в середине.

Другая тема, которой я занимаюсь, связана с хаосом, она еще называется «динамическая термализация». Хаос мне тут интересен не сам по себе, а как он приводит к наблюдаемым свойствам систем, в которых много частиц. Это тоже очень старая история, которая до сих пор остается популярной, — люди взрослые поняли, что вот они выросли, выучились, чего-то добились, но все равно чего-то тут они не понимают.

— Вы должны простить мне, что я не имею специального образования, чтобы хорошо понять то, о чем вы говорите, поэтому рассуждаю как простолюдин. Вот сверхпроводимость при высоких температурах…

— Тут надо пояснить, что такое высокие температуры. Они высокие по сравнению с абсолютным нулем. Если говорить в цельсиях, то это где-то минус 200 градусов. Но эта температура, она много больше, чем температура так называемых обычных сверхпроводников. Она порядка 100 градусов по Кельвину, а обычная сверхпроводимость — где-то в промежутке от 1 до 10 градусов по Кельвину. И в чем тут интерес? 100 по Кельвину ведь немногим меньше, чем, например, 300 по Кельвину. А 300 по Кельвину — это комнатная температура. Поэтому многие, кто над этим думает, понимают: нет никаких фундаментальных причин, почему нечто сверхпроводит при 100 по Кельвину и не сверхпроводит при 300. Так что одна из надежд физики — когда-нибудь открыть сверхпроводимость при комнатной температуре.

Открыть — значит предъявить вещество, в котором будет измерено, что оно сверхпроводит при 300 градусах по Кельвину.

— Я хотел спросить не об этом на самом деле. Это все сложные задачи, и вы сказали, что с самого детства любите решать именно такие. Но вот вопрос: а почему они в принципе возникают? Мир же по сути своей прост.

— Для школьников сложные задачи возникают потому, что их сочиняют какие-то взрослые дяди. И это один тип сложной задачи. Второй — когда сложные явления все-таки встречаются в природе самой по себе. Ну и бывает так, что люди придумывают сложные задачи, решают их, и потом это находят в природе.

Почему это возникает? С моей точки зрения, когда в чем-либо начинает участвовать большое число объектов, дело становится сложным. Это практически неизбежно. Был такой известный ученый, Нобелевский лауреат Фил Андерсон, умер совсем недавно, вот он в семидесятых годах написал очень влиятельную статью, которая называлась по-английски More is different. На русский это, наверное, переводится как «Больше — это по-другому».

Он выступал в этой статье против крайностей в понимании мира, против того, что, когда мы знаем, условно говоря, стандартную модель электрослабого взаимодействия или, например, то, как ведут себя кварки, — мы считаем, что можем описать весь мир. Нет. Андерсон указывал на факт, что химия не сводится к физике, биология не сводится к химии, физиология к биологии, психология к физиологии, социология к психологии и так далее.

То есть на каждом уровне познания возникают какие-то качественно новые явления, это и есть сложность.

И именно этот переход наиболее интересен, потому что многое в нем — полуэмпирическое, непонятное, неясное.

— Это что-то вроде теоремы Ферма, которую все без конца доказывают? Она же, насколько я знаю, самим-то Ферма никогда не была сформулирована в математическом виде. Он же ее где-то написал как мысль на полях чуть ли не театральной программки. Нет «Арифметики» Диофанта. Трагедия в том, что там содержится мысль, которую человечество до сих пор не может ни понять, ни смириться с ней, ни, главное, — за нее простить. Это мысль о том, что никакое целое не может быть суммой его частей, оно — само по себе. В этом отсутствии прощения — сложность?

— Так эта мысль может быть просто случайностью. Подумал человек о таком вопросе, сформулировал его, а потом другие не самые глупые люди подумали и поняли, что это не просто непонятно, а затрагивает пределы наших способностей. Вот поэтому эта тема и стала вдруг такой важной.

С моей, как физика, точки зрения, числа — это то, что среди прочего описывает реальный мир вокруг. И вот что такое числа, каковы свойства этих чисел — над этим тоже надо думать. Например, некоторые серьезные ученые, не очень сильно афишируя, сегодня пытаются думать про природу, как про некий компьютер.

Понимая, насколько сложно предсказать поведение многочастичных всяких систем, в частности хаотических, ученые начинают задавать себе вопрос: как природа вообще может быть вот таким супермощным компьютером? Или она внутри себя содержит какие-то фундаментальные законы, которые что-то и где-то на каком-то уровне упрощают. Но это все пока на уровне философских спекуляций, статьи на эту тему не пишут.

Эта тема скорее мотивирует писать статьи на другие актуальные для науки темы.

— Давайте тогда, как и природа, тоже что-нибудь упростим. Поговорим, например, про атомы. В одной из ваших лекций я слышал ваше рассуждение о том, что атом не осознает себя как атом, но ведет себя как атом. Почему? Почему он социализируется в кристаллическую решетку, например?

— Ну, знаете, есть граница нашего знания. Физика занимается тем, что пытается открывать и изучать законы природы. До какого-то уровня мы их знаем, а за пределами — мы их не знаем. Поэтому всегда можно задать вопрос «почему»? И на него нет ответа.

Но чем интересна физика — в ней очень важно, опираясь на уже открытые законы, делать предсказания.

То есть мы можем не знать, почему атомы так ведут себя, но можем предсказать, как они себя поведут.

— То есть при помощи законов физики, и в частности законов физики твердого тела, можно, например, предсказать поведение людей, если человека рассматривать как атом? Атом цивилизации, атом общества.

— Я уверен, что тут есть очень много общего. Каждый из нас, например, движется по какой-то своей случайной жизненной траектории, а в целом мы все вместе являемся обществом, у которого есть какая-то своя задача, цель существования. Физике твердого тела, кстати говоря, с этим феноменом жизни разобраться гораздо проще, поскольку она имеет дело с частицами, у которых относительно простые законы поведения. Но я уже говорил, что когда чего-то становится много, вступают в действие статистические законы, которые начинают доминировать над индивидуальным поведением.

— То есть у атомов все устроено примерно как у нас?

— Нет. У атомов все совсем по-другому. У них все по-другому настолько, что нормальный человек не может себе этого представить. У атомов — квантовое поведение. Вообще, до того, как была открыта квантовая механика, никто бы не мог себе даже вообразить, что за поведением атомов стоит столько абсурда и странностей. Один из важных тут аспектов — это то, что частицы могут быть одновременно в разных состояниях.

Вы, наверное, слышали о концепции кота Шредингера? Представьте себе комнату, в которой закрыт кот, и вы не знаете, живой он или мертвый. В чем же тут сюрприз? Но вот в том, что квантовые частицы действительно могут переходить из одного состояния в другое. Вот атом живой, потом мертвый, потом опять живой. Свойства микроскопических объектов, они вообще размыты, поскольку они одновременно находятся в разных состояниях. И это то, что меня привлекает в физике и привлекает многих. Это какая-то магия. В хорошем смысле этого слова.

Квантовое поведение завораживает. И важно понимать, что у такого поведения есть враг — это взаимодействие с другими частицами. На научном языке я это называю «квантовая декогорентность»: это когда частицы в результате взаимодействия начинают вести себя более привычно. И вот это как раз то, что надо описывать ученым.

— Тогда я хотел бы спросить вас о таком понятии, как «идеал». О некоей безукоризненности, которая составляет суть явления. Существует такое с точки зрения физики твердого тела?

— Вы знаете, в физике к идеальным явлениям относятся в рабочем порядке. Это стандартная концепция. Обычно дело обстоит так. Вот есть реальная система, мы ее до конца не понимаем, давайте мы предложим некую идеальную модель, идеальную систему и будем пытаться с ней разобраться. И физики надеются, что эта идеальная модель как-то сработает, сможет предсказать наблюдаемое в эксперименте. И пока она помогает, мы эту идеальную модель используем. Но мы всегда готовы эти идеалы низвергнуть.

И это опять же именно то, что мотивирует физиков, — отношение к идеалу как к понятию временному. Да, идеалы есть, они играют важную роль, потому что мышление легче организовывать именно вокруг идеальных конструкций. Но сила физики — в понимании уязвимости этих моделей.

— Давайте тогда перейдем к хаосу. В одной из ваших лекций я подслушал, что причины возникновения хаоса вы описываете как «малые изменения начальных условий»…

— Чувствительность к малым изменениям начальных условий.

— Точно. Что это означает?

— Ну это означает, что законы эволюции разных объектов (например, в физике это законы эволюции частиц) так устроены, что если вы начнете нечто с двух практически идентичных условий, а потом немножко подождете, то вы не поверите собственным глазам. Система начала с двух очень близких начальных условий, но почему-то пришла в два очень разных состояния, вычислить которые невозможно.

Это то, что называется хаосом. Но зато когда этот хаос происходит, многие вещи можно считать в среднем, судить о них как о толпе людей. То есть это такой своего рода парадокс: когда система становится хаотичной, она становится гораздо более предсказуемой, чем любая индивидуальная траектория.

Есть популярный пример в этой истории, он называется «эффект бабочки». Ученый Эдвард Лоренц сформулировал это примерно так:

бабочка на одном конце земли взмахнет крыльями, что-нибудь изменится, и в итоге на другом конце земли будет ураган.

Или если взять злободневный пример: откуда-то взялся коронавирус. Где-то произошло маленькое какое-то событие, и вот весь мир перешел в другое состояние. Но только надо сказать, что такое в хаотических системах бывает крайне редко. Обычно хаос приводит к количественным, то есть статистическим изменениям. Но так, чтобы это перешло в изменения качественные, — такое бывает чрезвычайно редко.

Тем не менее многие считают, и я в том числе, что хаотическое поведение — более типично для развития систем. Насколько оно типично, когда именно оно типично — вот это то, собственно, что люди сейчас изучают среди прочего. Ведь что важно знать про хаос — если пытаться его избегать, то систему нужно очень сильно контролировать.

Есть такой древнегреческий парадокс, парадокс стрелы Зенона. Он говорит нам: посмотрим на летящую стрелу. В каждый момент времени стрела находится в какой-то точке пространства и не движется. Если она не движется в любой момент времени, значит, она не движется вообще.

Это на самом деле глубокий вопрос, связанный с нашим пониманием движения, времени и так далее. Но благодаря ему существует физическая концепция, которая называется «эффект Зенона». Она состоит в том, что если квантовую механическую систему измерять, то она перестает эволюционировать. Это физическая формулировка, но и к жизни она вполне применима.

Если систему очень плотно контролировать, она перестает двигаться.

Просто потому, что, когда она действительно движется, некоторое количество хаоса неизбежно.

— Тогда вопрос, как ни странно, о мышлении как о хаосе. О способности к мышлению, о потребности в мышлении. Не получается ли так, что человек мыслящий обречен быть изгоем, обитателем сфер, недоступных, непонятных и даже опасных для большинства людей?

— Да.

— Да? Но тогда зачем?

— Ну... Знаете, когда я еще был ребенком, я знал вот это вот ощущение вызова. Вызова интеллектуального, который откуда-то берется. Может быть, этот вызов нам бросает природа. И какой-то человек пытается ответить на этот вызов. Кто-то ведь должен это сделать. В физике ты принимаешь этот вызов не только умозрительно — ты должен сам исследовать неизвестное и предсказывать результат эксперимента.

И если у тебя это получилось — это доказательство твоей правоты.