Как Спутник превратил гуманитария в нобелевского лауреата по физике

Нобелевский лауреат Энтони Леггетт посетил канадский Perimeter Institute, чтобы обсудить ключевые вехи своей научной карьеры и философию физического поиска. В масштабном интервью ученый рассказал о природе макроскопических квантовых явлений, куперовских парах и перспективах комнатной сверхпроводимости. Особое место в беседе заняли личные воспоминания исследователя — от роли советского Спутника в его переходе из гуманитарных наук в физику до опыта преподавания в Африке и курьезов, связанных с получением Нобелевской премии.

❄️ Завеса шума: почему физики стремятся к абсолютному нулю 3:29

Многие прорывные исследования в современной физике конденсированного состояния жестко привязаны к экстремально низким температурам. Основоположник физики низких температур Камерлинг-Оннес во время своей Нобелевской лекции в районе 1914 года емко сформулировал главную причину этого направления поисков. По его выражению, уходя в область сверхнизких температур, исследователи образно «снимают завесу», которую тепловой шум набрасывает на тонкие микроскопические явления.

Под термином «шум» в экспериментальной физике понимается любое случайное воздействие окружающей среды на изучаемую систему, например, на группу атомов. Интенсивность этих хаотичных флуктуаций напрямую пропорциональна термодинамической температуре. Охлаждение образцов позволяет изолировать систему от внешних помех. В современных лабораториях ученые научились не только достигать тысячных долей градуса выше абсолютного нуля, но и эффективно экранировать остаточный шум.

💂‍♂️ Квантовый парад: макроскопические эффекты и левитирующие магниты 6:11

Вопреки расхожему мнению, что квантовые эффекты проявляются исключительно на микроуровне, их можно наблюдать макроскопически. Существует два принципиально разных типа макроскопических квантовых явлений. Первый тип связан с ситуацией, когда колоссальное число микрочастиц (например, атомов гелия или электронов) при сильном охлаждении принудительно переходит в абсолютно идентичное физическое состояние.

Для описания этого феномена применима архитектурная аналогия. Если смотреть на городскую площадь с вершины горы в базарный день, то из-за хаотичного движения отдельных горожан невозможно разобрать их индивидуальные действия. Однако в день военного парада, когда целый взвод солдат марширует в ногу, их коллективное движение становится легко различимым даже с огромного расстояния. Точно так же ведут себя упорядоченные атомы или электронные пары.

Самыми яркими примерами такого «парада» служат сверхтекучесть и сверхпроводимость. Наглядную демонстрацию сверхпроводимости можно провести с помощью простых предметов:

• Если бросить обычный камень внутрь медной трубки, он упадет мгновенно.

• Если запустить в ту же трубку небольшой магнит, его падение займет несколько секунд.

Замедление магнита объясняется тем, что его движение индуцирует круговые электрические токи в меди, которые создают встречное магнитное поле. В обычном металле эти токи быстро затухают из-за сопротивления, и магнит продолжает падать. Однако если взять таблетку высокотемпературного сверхпроводника (иттрий-бариевый-медный оксид, YBCO), охладить ее в жидком азоте и опустить сверху магнит, то индуцированные токи не затухнут никогда. Магнит останется парить в воздухе до тех пор, пока азот не выкипит и материал не вернется в нормальное состояние.

Существует и более тонкий физический эффект. Если положить крошечный магнит на сверхпроводящую таблетку при комнатной температуре, а затем начать наливать жидкий азот, то в момент перехода материала в сверхпроводящую фазу магнит спонтанно приподнимется и зависнет в воздухе сам по себе.

⚡ Энергетический кризис и барьеры на пути к сверхпроводимости 14:12

Помимо классического использования в аппаратах МРТ, сверхпроводящие технологии имеют неочевидное, но критически важное применение в энергетике. В США действуют три крупные независимые энергосистемы (магистральные сети). Периодически возникает необходимость перебрасывать избыточную мощность со слабонагруженной сети на перегруженную. Специальный технологический узел в Техасе связывает эти три сети вместе.

Использование стандартных металлов в коммутационных устройствах такого масштаба чревато перегрузкой и катастрофическими авариями энергосети. Сверхпроводники обладают уникальным защитным свойством: при превышении критического порога тока они мгновенно выходят из сверхпроводящего состояния в нормальное, работая как автоматический предохранитель.

В глобальной перспективе внедрение сверхпроводящих линий электропередачи способно решить масштабную экономическую проблему. По оценкам специалистов, сегодня около 10% всей производимой в мире электроэнергии безвозвратно теряется при транспортировке от электростанций к потребителям из-за омического сопротивления кабелей. Сверхпроводники, работающие в штатном режиме, не рассеивают энергию, что позволило бы полностью ликвидировать эти десятипроцентные потери.

Главным препятствием на пути к технологической революции остается температурный барьер. До 1986 года в научном сообществе доминировало убеждение, что сверхпроводимость принципиально не может существовать при температурах выше 1/10 от комнатной (около 30 К). Этот предел связывали с дебаевской температурой кристаллических колебаний решетки. Ситуация в корне изменилась в 1986 году с открытием высокотемпературных купратных сверхпроводников. Физикам удалось достичь критической отметки в 90–100 К (порядка трети от комнатной температуры).

Затем прогресс замедлился почти на 30 лет, зафиксировавшись на отметке около половины комнатной температуры. К настоящему моменту исследователи смогли получить сверхпроводимость при полноценных комнатных условиях (273–295 К), однако данный эффект достигается исключительно под колоссальным давлением в алмазных наковальнях, что исключает бытовое применение. Тем не менее, Энтони Леггетт озвучил оптимистичный прогноз: комнатная сверхпроводимость при обычном атмосферном давлении будет открыта если не при его жизни, то при жизни нынешнего поколения школьников.

🌲 Тайна куперовских пар и «эмерджентные» споры 23:49

Чтобы понять разницу между обычным проводником и сверхпроводником на микроуровне, можно модифицировать аналогию с лесной прогулкой. Представьте группу детей, бегущих сквозь густой дикорастущий лес в заданном направлении. Рано или поздно один ребенок наткнется на дерево, изменит траекторию, и вскоре все дети будут хаотично разбегаться в разные стороны. Это аналог сопротивления в меди, где электроны рассеиваются на дефектах решетки.

В сверхпроводнике электроны объединяются в так называемые куперовские пары. Когда электроны в паре наталкиваются на примесь, они, метафорически говоря, имеют четкую инструкцию «держать строй». Свернув ради обхода препятствия, они мгновенно возвращаются в общий шаг со всем коллективом, благодаря чему электрический ток течет бесконечно долго.

Механизм формирования куперовских пар в классических низкотемпературных сверхпроводниках был детально описан Джоном Бардиным и Дэвидом Пайнсом в 1950-х годах:

1. Быстрый электрон пролетает сквозь кристаллическую решетку металла и своим отрицательным зарядом притягивает тяжелые, положительно заряженные ионы решетки.

2. Поскольку электроны движутся быстро, а ионы смещаются медленно, электрон успевает улететь, оставляя после себя пространственный след с повышенной концентрацией положительного заряда.

3. Второй электрон притягивается к этой области остаточного положительного заряда. Таким образом, он притягивается не к самому первому электрону, а к месту, где тот только что находился.

В металлах вроде чистой меди это эффективное притяжение выражено слишком слабо и не может перевесить прямое кулоновское отталкивание электронов, поэтому они не становятся сверхпроводниками. В высокотемпературных купратах природа явления иная. По словам Энтони Леггетта, эти материалы относятся к сильно скоррелированным системам, где кулоновское взаимодействие изначально перестроило поведение электронов. Объединение в пары здесь происходит не из-за возникновения нового притяжения, а за счет снижения исходного взаимного отталкивания частицами друг друга. Общепринятой и завершенной теории для высокотемпературных сверхпроводников в физике до сих пор нет.

Схожая картина наблюдается в нейтральных электрических системах, таких как жидкий гелий, где возникает сверхтекучесть. Сверхтекучий гелий, запущенный в кольцевой сосуд, способен циркулировать без затухания вечно. Более того, если поставить чашу со сверхтекучим гелием на вращающийся граммофонный диск, жидкость откажется вращаться вместе с сосудом и, согласно теоретическим выкладкам, сохранит абсолютную неподвижность относительно неподвижных звезд, игнорируя даже суточное вращение Земли.

При обсуждении подобных коллективных эффектов Энтони Леггетт подчеркнул свою нелюбовь к модному термину «эмерджентность». Физик считает, что в контексте физики конденсированного состояния это слово превратилось в бессмысленное камуфлирующее понятие, поскольку абсолютно любое интересное многочастичное явление по определению является эмерджентным, а значит, использование этого термина не несет дополнительного научного смысла.

🐈 Создание «кота Шрёдингера» в лаборатории 33:24

Второй тип макроскопических квантовых эффектов, который лег в основу многолетней работы Леггетта, связан со знаменитым мысленным экспериментом Эрвина Шрёдингера. В микромире квантовая суперпозиция наглядно подтверждается двухщелевым экспериментом Юнга с электронами, детально реализованным Акирой Тономурой в Японии. Одиночные электроны, проходя сквозь две щели, постепенно выстраивают на экране интерференционную картину из темных и светлых полос. Но стоит физикам попытаться зафиксировать, через какую конкретно щель пролетел электрон, как интерференция мгновенно исчезает — проявляется боровский принцип комплементарности (дополнительности).

Шрёдингер в своем парадоксе перенес это свойство на макроуровень, описав кота в закрытом ящике, чья жизнь зависит от поведения электрона. Если электрон выбирает один путь, срабатывает счетчик, и животное погибает от отравления цианидом; если другой — остается жить. Формализм квантовой механики строго утверждает, что до момента наблюдения макроскопическая система (включая кота и всю окружающую вселенную) обязана находиться в линейной квантовой суперпозиции двух исключающих состояний. Однако при открытии ящика наблюдатель всегда видит либо живое, по-настоящему живое, либо мертвое животное. Леггетт предпочитает называть этот парадокс не «парадоксом квантового измерения», а «парадоксом квантовой реализации».

Большинство физиков в XX веке отмахнулись от этой проблемы, сославшись на концепцию декогеренции. Согласно этой теории, при контакте квантовой системы с неконтролируемой внешней средой фазы волновой функции случайным образом искажаются. В результате интерференционные слагаемые (или внедиагональные элементы матрицы плотности) зануляются, и система ведет себя классическим образом. Принято считать, что для макрообъектов масштаба кота декогеренция происходит практически мгновенно.

Энтони Леггетт не согласился с тем, что декогеренция полностью снимает парадокс. В конце 1970-х годов он инициировал исследовательскую программу, направленную на реальное создание «кота Шрёдингера» в лабораторных условиях. Идея заключалась в том, чтобы заставить макроскопический объект вопреки влиянию среды войти в состояние суперпозиции и продемонстрировать квантовую интерференцию.

Это предложение вызвало жесткое сопротивление со стороны сообщества философов и математиков, специализирующихся на квантовых измерениях и считавших макроинтерференцию невозможной. Тем не менее к 2000 году экспериментаторы смогли подтвердить квантовую суперпозицию токов в радиочастотных сквидах (RF SQUID), известных сегодня как потоковые кубиты для квантовых компьютеров.

Решающей вехой стал эксперимент японской корпорации NTT, проведенный в 2016 году при соавторстве Леггетта. Данное исследование экспериментально опровергло широкий класс теорий макрореализма, утверждавших, что макрообъекты в любой момент времени обязаны находиться строго в одном определенном состоянии. Физик предполагает, что квантовая механика не является финальной истиной: если ученым удастся развить эти эксперименты до масштабов непосредственного человеческого восприятия, нас ждет сюрприз, и квантовая теория где-то сломается.

🗺️ География науки: от Киото до африканских переворотов 48:04

Академический путь Энтони Леггетта был тесно связан с международными поездками. Его первой крупной зарубежной практикой стала постдокторская стажировка в Японии в 1965–1966 годах, организованная благодаря гибкой политике Оксфордского колледжа. Ученым двигало антропологическое любопытство к культуре и языкам Северо-Восточной Азии. Попасть в Китай в разгар Культурной революции было невозможно, поэтому Леггетт выбрал группу профессора Такео Мацубары в Киотском университете. Позже, в 1973–1974 годах, он вернулся в Японию уже со своей супругой-японкой. Освоение японского языка, принципиально отличающегося от индоевропейских, исследователь сравнил с развитием новой ментальной мышцы.

Совершенно иной опыт физик получил в Гане, куда отправился по программе обмена между Университетом Суссекса и Университетом науки и технологий в Кумаси. Леггетт вел там преподавательскую работу в осенние семестры 1976 и 1977 годов. Изначально планировался и третий год, однако в 1977 году в стране произошел очередной военный переворот, который, в отличие от предыдущих бескровных смен власти, повлек за собой человеческие жертвы и привел к закрытию университета на семестр.

Во время работы в Гане Леггетт вызвался руководить практическими лабораторными работами для первокурсников, что вызвало удивление коллег, считавших теоретика непригодным для такой деятельности. Этот опыт позволил выявить важную социокультурную деталь. Студенты, родившиеся в традиционных африканских деревнях, демонстрировали полное отсутствие базовой «физической интуиции». В их детстве самым сложным технологическим объектом был простой ручной ткацкий станок. Сталкиваясь сразу с автомобилями или сложной электроникой, они воспринимали их как абсолютно непостижимый «черный ящик».

Леггетт подверг жесткой критике колониальное наследие в образовании Ганы. Навязанная британская система заставляла местных студентов зубрить абстрактные формулы стандартного электромагнетизма. При этом страна испытывала катастрофический дефицит базовых механических и инженерных навыков. Вузу приходилось самостоятельно собирать флагштоки и шить флаги, так как коммерческих подрядчиков нужного профиля в Гане не существовало. Физик также отметил системный изъян западных программ помощи: европейские благотворители присылали в Африку современные блестящие автобусы, но через несколько месяцев техника ломалась, поскольку в стране отсутствовали специалисты, способные ее отремонтировать.

📞 Нобелевский звонок в 4:30 утра 1:04:10

Историю присуждения Нобелевской премии по физике в 2003 году Энтони Леггетт вспоминает с долей иронии. Ранее он предполагал, что если и получит награду, то скорее за исследования в области квантовых оснований, поскольку за открытие сверхтекучести гелия-3 Шведская академия уже наградила троих физиков-экспериментаторов.

Звонок из Стокгольма раздался в 4:30 утра по местному времени, когда ученый спал. Спросонья Леггетт решил, что звонят его японские родственники, которые регулярно путали часовые пояса. Голос в трубке зачитал официальное решение Нобелевского комитета о разделении премии между Виталием Гинзбургом, Алексеем Абрикосовым и Энтони Леггеттом.

Первой реакцией ученого было подозрение в розыгрыше. Поверить в реальность происходящего его заставило предупреждение шведского чиновника о том, что через несколько минут начнется официальная телетрансляция и телефон Леггетта будет оборван журналистами, к чему нужно подготовиться.

Разделение награды с советскими физиками вызвало у Леггетта легкое недоумение из-за временного разрыва: когда Гинзбург и Ландау проводили свои фундаментальные расчеты по сверхпроводимости, Леггетту было всего 12 лет, и он жил по другую сторону железного занавеса. По его мнению, весомые права на эту премию имел также британский физик Брайан Пиппард. Главным изменением в жизни после получения премии Леггетт назвал то, что его стали постоянно донимать просьбами высказать экспертное мнение по вопросам мировой политики и социологии, в которых он абсолютно не разбирается и от которых всегда пытается уклониться.

🚀 Эффект Спутника: случайный путь в физику 1:11:18

Самым удивительным и счастливым поворотом судьбы в своей биографии Леггетт считает запуск советского Спутника осенью 1957 года. Дело в том, что будущий физик изначально получал классическое гуманитарное образование в Оксфорде, изучая древнегреческую и латинскую литературу, античную историю и классическую философию. До окончания школы он практически не сталкивался с точными науками. Его отец, будучи школьным учителем математики и физики, под влиянием духа эпохи сам настоял на том, чтобы сын занимался гуманитарными дисциплинами.

Космический триумф СССР перевернул общественное сознание в Великобритании. Общество задалось вопросом, почему советская наука вырвалась вперед, и пришло к выводу, что британская система образования неоправданно направляет лучшие интеллектуальные кадры на «бесполезное» изучение классики вместо полезной физики. На этой волне Леггетту и еще нескольким гуманитариям позволили в порядке исключения получить второе бакалаврское образование по физике. Эффект Спутника помог молодому ученому аргументированно убедить призывную комиссию продлить ему отсрочку от военной службы ради занятий наукой.

Уход из философии в физику был осознанным прагматичным решением. Изучая оксфордскую философию, Леггетт осознал, что критерием качества работы там выступает лишь изящество формулировок и субъективное одобрение коллег по кафедре. Ему же остро требовался жесткий внешний критерий истины. Математику исследователь отверг по психологической причине:

«В математике по самой природе предмета, если ты неправ, это автоматически означает, что ты глуп. Мне же хотелось найти область, где я мог бы ошибаться, не будучи глупым».

Физика идеально подошла под это требование, позволяя строить нетривиальные гипотезы о мире и проверять их экспериментом. Профессию инженера Леггетт не выбрал лишь потому, что считал себя крайне неловким при работе руками. При этом в раннем детстве он мечтал стать железнодорожным регулировщиком сигналов, а чуть позже — первопроходцем-исследователем некартографированных территорий Земли.

🔮 Будущее физики и пять заповедей для студентов 1:26:15

Оценивая текущее состояние науки через призму концепции Томаса Куна о разделении на «нормальную» и «революционную» фазы, Леггетт отметил, что сегодня физика переживает спокойный период накопления знаний. Тем молодым ученым, которые жаждут фундаментальной научной революции, он советует идти в космологию. Физик убежден, что современные космологические концепции, такие как темная материя и темная энергия, по сути являются временными теоретическими «костылями» (пластырями), и в самой основе наших представлений о Вселенной кроется глубокая ошибка, которую предстоит исправить. Сам Леггетт, если бы начинал карьеру сегодня, выбрал бы экспериментальную нейропсихологию или биофизику из-за их прямой практической пользы для человечества.

На основе своего многолетнего опыта нобелевский лауреат сформулировал пять ключевых советов для молодых исследователей:

1. Следуйте за собственным любопытством. Никогда не пасуйте, если авторитетные коллеги заявляют, что ваш вопрос глупый или на него давно есть ответ. Альберт Эйнштейн перевернул физику, просто задавшись банальным вопросом, почему все предметы падают в вакууме с одинаковым ускорением — фактом, который все воспринимали как должное со времен Галилея.

2. Не зарывайтесь в существующую литературу. Попытка прочесть все статьи по теме за последние 50 лет на старте проекта ведет к катастрофе, так как обилие противоречивых мнений лишит вас свежего взгляда. Пытайтесь сначала решить задачу самостоятельно, отталкиваясь от базовых физических принципов. Именно так в 1972 году Леггетт смог рассчитать аномальный ядерный магнитный резонанс для гелия-3, сознательно отказавшись от чтения классических учебников.

3. Ни одно честное исследование не пропадает зря. Если ваш проект зашел в тупик, эксперимент не удался или теория опровергнута — обязательно подробно опишите результаты и отложите рукопись в стол. В середине 1960-х годов в Японии Леггетт разработал теорию двухзонных сверхпроводников под конкретный эксперимент, который позже признали ошибочным. Работа казалась напрасной, но спустя 8 лет именно эти выкладки послужили ключом к разгадке физики гелия-3.

4. Стремитесь к максимальной простоте. Избегайте соблазна использовать избыточно сложный теоретический аппарат ради внешней элегантности. В свое время Леггетт потратил много сил, кодируя задачи сверхтекучести через зубодробительный формализм функций Грина, пока не перестроил модель на простых физических образах. Параллельно советские физики-теоретики, решавшие ту же задачу на громоздких функциях Грина, пришли к аналогичному результату, но даже не осознали, что совершили открытие, из-за сложности собственных математических формул.

5. Относитесь к преподаванию максимально серьезно. Не воспринимайте лекции студентам как досадную обязанность, отвлекающую от науки. Леггетт подчеркнул, что значительная часть его самых плодотворных теоретических идей родилась непосредственно в процессе подготовки базовых учебных курсов для бакалавров.