Ритм вселенной. Как из хаоса возникает порядок - Стивен Строгац Страница 57

Столь странное поведение – не что иное, как проявление квантового синхронизма. Все жидкости становятся чрезвычайно упорядоченными, если их охладить до очень низких температур. Обычно они превращаются в кристалл. Но два изотопа гелия, гелий-3 и гелий-4, никогда не затвердевают, по крайней мере при обычном давлении. Они остаются жидкостями вплоть до абсолютного нуля. Такая жидкость упорядочивается в несколько ином смысле: она подвергается бозе-эйнштейновской конденсации и превращается в своего рода квантовый хор. В этом случае бозонами являются атомы гелия-4 (или пары атомов гелия-3, аналогичные парам Купера). При очень низких температурах все атомы замедляют свои движения, что приводит к вытягиванию их квантовых волн, согасно упоминавшемуся выше принципу Гейзенберга. При достижении некой критической температуры эти волны перекрываются между собой и самопроизвольно переходят в одно и то же квантовое состояние, синхронизируя триллионы атомов в фазо-когерентную сверхтекучую жидкость.

В 1997 г. группа физиков из Калифорнийского университета в Беркли, возглавляемая Саймусом Дэвисом и Ричардом Паккардом, реализовала на практике мысленный эксперимент с ведрами ^[149]. Они взяли две крошечные емкости, наполненные сверхтекучей жидкостью при разных давлениях, и соединили их слабой связью: ультратонкой гибкой мембраной, содержащей тысячи микропор. Согласно анализу, выполненному Фейнманом, такая сверхтекучая жидкость должна осциллировать сквозь поры туда и обратно с частотой, пропорциональной разности давлений (тогда как обычная жидкость должна просто перетекать со стороны высокого давления в сторону низкого давления). Такие эксперименты чрезвычайно сложно проводить. Частично это объясняется тем, что гелий не несет с собой заряд, а это означает, что его поток невозможно измерить, как электрический ток; частично это объясняется также тем, что поры в мембране должны быть микроскопически малыми – примерно в сто раз меньше, чем какая-нибудь бактерия.

К тому времени Дэвис и Паккард потратили почти десять лет на тщетные попытки обнаружить эти осцилляции, предсказанные математическим путем. Теперь они выработали новую стратегию и располагали новой группой аспирантов, готовых выполнить этот сложный эксперимент. Их план заключался в том, чтобы буквально на мгновение отклонить мембрану, сжав жидкость с одной стороны и создав переходную разность давлений. Затем, после возврата мембраны в состояние равновесия, они должны были отследить вибрации, наведенные в ней осциллирующей сверхтекучей жидкостью. Признаком эффекта переменного тока Джозефсона служили бы колебания затухающей частоты – свист, затихающий по мере возврата разности давлений к нулю. Но даже с помощью самых совершенных осциллографов аспирантам не удавалось обнаружить что-то такое, что хотя бы отдаленно напоминало эффект переменного тока Джозефсона. Они полагали, что виной всему является слишком высокий уровень шумов в используемой ими системе. После месяца бесплодных попыток они были на грани отчаяния. Кое-кто даже предлагал отказаться от продолжения эксперимента.

Паккард, который выступал в роли научного консультанта, предложил им отключить осциллограф, достать наушники и попытаться уловить вибрации на слух. Аспиранты весьма скептически отнеслись к этому предложению. «Они не хотели заниматься подобной ерундой. В свое оправдание они заявили, что в лаборатории нет наушников», вспоминал впоследствии Паккард. Поэтому Паккард лично отправился в ближайший магазин радиотоваров и приобрел там наушники за полтора доллара. Аспиранты сказали, что у этих наушников неподходящий штекер. Паккард снова отправился в магазин радиотоваров и приобрел там соответствующий переходник.

С явной неохотой аспирант Сергей Переверзев подсоединил к системе наушники и включил тумблер, запустив эксперимент в очередной раз. Затем произошло невероятное – настолько невероятное, что Сергей едва не свалился со стула: его уши сразу же уловили то, что не смог обнаружить осциллограф: тонкий писк с постепенно затухающей частотой, который напоминал звук падающей авиабомбы. Это было именно тем, что предсказывала теория!

За последние 40 лет для этих выдающихся проявлений квантового синхронизма был найден ряд полезных практических применений. На основе сверхпроводящих «бутербродов» Джозефсона (в наши дни их принято называть «переходами Джозефсона») были созданы сверхчувствительные датчики. Например, в приборе, который получил название SQUID (superconducting quantum interference device – сверхпроводящий квантовый интерферометр) ^[150], используется повышенная чувствительность сверхтока к магнитному полю. С помощью SQUID можно измерять величины смещения, в тысячу раз меньшие атомного ядра, или магнитное поле, в 100 миллиардов раз более слабое, чем магнитное поле Земли. Сверхпроводящие квантовые интерферометры используются в астрономии для обнаружения сверхслабых излучений от дальних галактик; при неразрушающих испытаниях – для выявления мест скрытой коррозии под алюминиевой обшивкой самолетов; и в геофизике – для обнаружения нефтяных месторождений, залегающих глубоко под землей.

SQUID состоит из двух переходов Джозефсона, соединенных параллельно друг другу контуром из сверхпроводящего материала. (Чтобы представить, как это выглядит, поднимите руки над головой и соедините ладони. В этом случае два ваших локтя являются аналогами переходов Джозефсона, а кольцо, образованное вашими руками и плечами, является аналогом сверхпроводящего контура.) Принцип действия SQUID основан на том, что изменения магнитного поля изменяют разность фаз между квантовыми волнами по обе стороны двух переходов Джозефсона и, следовательно, изменяют сверхтоки, туннелируемые через эти переходы. Точно так же, как волны на пруду при наложении друг на друга могут либо усиливаться (в случае совпадения их вершин, то есть в случае совпадения фаз этих волн), либо взаимно гасить друг друга (если вершина одной волны совпадает с впадиной другой волны, то есть в случае действия этих волн в противофазе), способ взаимодействия между собой квантовых волн в двух «руках» SQUID зависит от их фаз и, следовательно, от величины магнитного потока, проходящего через контур. Именно за счет этого SQUID преобразует даже самые незначительные изменения магнитного потока во вполне ощутимые (и поддающиеся измерению) изменения тока и напряжения на этом устройстве, что дает возможность обнаруживать и измерять даже сверхслабые электромагнитные сигналы.

Однако некоторые из наиболее впечатляющих применений SQUID относятся к формированию изображений в медицинской практике. С помощью массива из сотен SQUID-датчиков врачи могут точно определить местоположение опухолей в мозгу и аномальные электрические пути, ассоциирующиеся с аритмией сердца и очагами эпилепсии (локализованные источники некоторых типов эпилептических припадков). С помощью массива SQUID-датчиков можно отобразить очень слабые пространственные вибрации в магнитном поле, производимые человеческим телом. Результирующая контурная карта позволяет реконструировать с помощью компьютера ту область внутри ткани, которая вырабатывает такие сигналы. Такие процедуры совершенно неинвазивны (не требуют хирургического вмешательства), в отличие от обычной хирургии, применяемой с целью обследования. Несмотря на то что высокая стоимость многоканальных устройств формирования изображений не позволяет применять их достаточно широко, в отдаленной перспективе они могут существенно снизить стоимость медицинского обследования. Например, локализация очага эпилепсии с помощью SQUID занимает примерно три часа, тогда как применение альтернативного метода (вживление электродов в мозг человека) может занять целую неделю и обойтись дополнительно в 50 тысяч долларов.