Виталий Антропов
Профессор Сяоцин Пань и его коллеги по Калифорнийскому университету в Ирвайне использовали усовершенствованный спектроскопический метод для визуализации колебания атомов. Фото с сайта www.engineering.uci.edu
Последние сообщения из физических лабораторий мира завораживают и впечатляют. Особенно людей гуманитарного склада ума. Сразу заметим почти неизбежное использование оптических метафор, когда сегодня разговор заходит о современной науке…
Бес колебаний
В журнале Nature опубликована статья физиков из университета в Ирвайне (США) – «Researchers at UC Irvine are first to image directional atomic vibrations» («Исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне первыми получили изображение направленных атомных колебаний»).
В кристаллических структурах атомы «вибрируют» по-разному в зависимости от направления (то есть от координатной оси). Это явление получило название вибрационная анизотропия. Оно определяет, как вещество проводит ток, рассеивает тепло, проявляет сверхпроводимость.
«Наши результаты также ясно показывают, что коллективные атомные колебания в кристаллах подвержены флуктуациям в зависимости от номера элемента и позиций атомов, что противоречит традиционной модели, предполагающей равномерное распределение волновых функций фононов», – говорит соавтор исследования, заслуженный профессор Калифорнийского университета в Ирвайне Сяоцин Пань.
«Новый метод микроскопии открывает возможности для разработки инновационных материалов, – отмечает Nature. – По словам исследователей, открытие позволяет глубже изучать явления, связанные с фазовыми переходами и сверхпроводимостью. Это особенно важно для разработки квантовых устройств, новых процессоров и систем управления теплом в электронике».
Но нас сейчас интересуют даже не столько технические подробности проведенных в Ирвайне экспериментов – команда ученых использовала усовершенствованный спектроскопический метод, изучались так называемые перовскиты – титанат стронция и титанат бария, сколько гносеологическая логика, лежащая в основе исследования. Собственно, почему визуализация открывает путь к созданию новых материалов; почему визуализация помогает объяснению…
Еще совсем недавно знаменитое стихотворение Валерия Брюсова казалось просто красивой поэтической фигурой:
Еще, быть может, каждый атом –
Вселенная, где сто планет;
Там все, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.
(1922)
И вот через 100 лет: колеблются… атомы… наблюдали…
Не менее элегантный способ заглянуть внутрь атома реализовали физики из Массачусетского технологического университета (MIT). Результаты этой работы опубликованы в одном из последних выпусков журнала Science. На портале MIT News сообщение об этом исследовании вышло под не менее завораживающим заголовком – «With a new molecule-based method, physicists peer inside an atom’s nucleus» («С помощью нового, основанного на молекулярном эффекте, метода физики заглядывают внутрь ядра атома»).
Экспериментаторы заставили работать собственные электроны атома в качестве «щупов», «внутренних зондов», способных проникнуть в ядро и транслировать информацию о его «внутренностях». MIT News уточняет: «Они использовали пространство внутри молекулы монофторида радия (RaF) как своего рода микроскопический коллайдер частиц, который удерживал электроны атома радия и побуждал их кратковременно проникать в ядро атома».
Это открывает принципиально новые возможности для прямого изучения микрообъектов на уровне ядра атома. Традиционные методы, которые обычно включают в себя коллизии (столкновения; отсюда и сравнение с коллайдером, «сталкивателем») электронов с ядрами космических энергий в многокилометровых кольцах ускорителей, теперь могут быть заменены более компактными и доступными лабораторными установками.
Оптические ловушки для молекул и прецизионные лазерные измерения позволили зафиксировать в молекулах фторида радия микроскопические, но измеримые отклонения в энергии электронов, вращающихся вокруг атомов радия. Это «колебание» на уровне одной миллионной энергии фотона лазера доказывает, что электроны взаимодействуют с протонами и нейтронами ядра, фактически «заглядывая» внутрь него.
«Мы впервые доказали, что можем «заглянуть» внутрь ядра, – подчеркивает один из авторов работы Рональд Гарсия Руис, доцент кафедры физики MIT. – Это как если бы вы могли измерить электрическое поле батарейки не только снаружи, но и внутри нее – именно это мы сделали с атомом радия».
Дело в том, что каждый нуклон ведет себя как маленький магнит, и новая методика позволяет картировать эти магнитные поля, созданные протонами и нейтронами в ядре. А это чрезвычайно важно для понимания сил, действующих внутри ядра. По-другому говоря: очень возможно, мы скоро узнаем, как устроены внутриядерные связи.
Как это ни парадоксально, понимание процессов, происходящих внутри атомного ядра, имеет большое значение для космологии и фундаментальной физики в целом. Вероятно, предполагают физики, впервые удастся зафиксировать нарушение фундаментальных симметрий природы напрямую, непосредственно – визуально! – что может стать прорывом в физике элементарных частиц.
«Миры, где пять материков…»
Валерий Брюсов великолепным прогнозистом оказался. В цитированном уже выше его стихотворении «Мир электрона» читаем:
Быть может,
эти электроны –
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны,
троны
И память сорока веков!
Только со сроками и объемами памяти поэт давал явно заниженную оценку. О масштабах времени на таких масштабах пространства, с которыми имеют дело физики, рассматривающие атомы, ядра, электроны, нейтроны, протоны, очень доходчиво сказал академик Валерий Рубаков:
«Есть один из законов сохранения, который очень существенен для нашей с вами жизни – закон сохранения барионного числа. Что это такое? Каждой частице – протону, нейтрону – приписывается барионное число: протон – «единица», нейтрон – «единица», античастица – «минус единица». Во всех сегодняшних экспериментах сумма всех барионных чисел точно сохраняется. Это важно. Это обеспечивает стабильность протонов. Если бы барионное число не сохранялось, то протон мог бы распадаться.
Пока экспериментально распад протона не зафиксирован. К большому сожалению. Почему к сожалению? Потому что, во-первых, он предсказывался. А во-вторых, конечно, посмотреть, как распадается протон, было бы очень интересно, это нам рассказало бы о физике на самых-самых малых расстояниях, далеко за пределами ускорительной физики. Но, повторяю, к сожалению, этого нет. Хотя ученые ищут». Но тем не менее протон живет очень долго; если он вообще распадается, то он живет дольше 1033 лет – это много больше времени жизни Вселенной. И стабильность протона как раз обеспечивается сохранением барионного числа. Это фактически синонимы: стабильность протона и сохранение барионного числа».
И в этом смысле даже гнетущий пессимизм банального сравнения: «пыль под Солнцем» – не может схватить время распада протона, масштаб исчезает как таковой. В отношении протона понятие «распад» просто не существует. Протон не «пылит». Невозможно даже помыслить точку отсчета, чтобы оттолкнуться от нее и сравнить… С чем?
«Что действительно прочно в столь зыбкой зыби?.. Ответ готов. Прочностью вселенского камня обладает малейший брызг сущего в юдоль бытия, речь, например, о протоне. Эта частица атомного ядра обладает периодом распада в – зажмурьтесь – один миллион триллионов лет, то есть она способна легко пережить все время, которое прошло с момента рождения Вселенной, и то время, которое, возможно, осталось до ее конца. По сравнению с такой прочностью вся прочность прочего мира – пыль дождя, летящая на кусты роз». Так очень образно писателю Анатолию Королеву в романе «Эрон» удалось передать всю жутковатость кусочка пространственно-временного континуума, с которым (и в котором) работает современная физика.
А ведь еще в 2007 году в научно-исторической литературе можно было прочитать: «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы», – подчеркивал, например, замечательный российский историк науки Борис Булюбаш.
Его американский коллега, профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» признавался: «…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве. В моем визуальном воображении нет ничего, соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов» (курсив мой. – В.А., из книги: Six Stories from the End of Representation: Images in Painting, Photography, Microscopy, Astronomy, Particle Physics, and Quantum Mechanics, 1985–2000 (Stanford: Stanford University Press, 2008).
|
|
Внутри атома так много всего интересного и загадочного. Иллюстрация создана с помощью GigaChat |
А еще годом ранее, в 2011-м, физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось подтвердить форму электрона с точностью, которая на много порядков превосходит точность всех сделанных ранее измерений. Электрон – элементарная частица, отвечающая за перенос электромагнитного взаимодействия. Существующие теории предполагают, что электрон должен иметь практически идеальную сферическую форму. Но насколько идеальную?
С помощью лазерной системы английские ученые измеряли «колебания», которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.
Гугол гуголов
Парадоксально вроде бы, но иногда даже трудно уловить момент перехода от мира планковских времен и протяженностей (10–44 с, 10–33 см) к космологическим параметрам. Где соприкасаются миры самого малого – элементарных частиц и самого большого – Вселенной? Извините за оксюморон, но хорошее представление о непредставимом дает образ, подобранный нобелевским лауреатом, физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком. Он таков: «Гугол – это число, равное 10100 единице со 100 нулями. Это невероятно большое число. Оно, например, намного превышает число атомов в видимой Вселенной. Однако даже если мы заменим все пространство решеткой всего лишь с десятью точками в каждом направлении и поместим в каждой точке всего по одному кубиту, размерность квантово-механической версии этой схематичной модели мира намного превысит число гугол. На самом деле размерность этого пространства превысит гугол гуголов».
То же самое самоощущение «пыли под Солнцем», но только «гуманитарными» средствами, попытался воспроизвести Анатолий Королев: Солнце – «крохотный желтый замерзший плевочек огня на стекле вечности».
Безусловно, достижения американских физиков имеют не только сугубо естественно-научное значение – даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.
|
|
Профессор Сяоцин Пань (в центре) и его сотрудники воочию наблюдают за квантовой реальностью нашего мира. Но не самообман ли это – отождествлять увиденное глазами с объективно существующим. Фото с сайта engineering.uci.edu |
И это – гносеологическая проблема. Вполне ясно ее формулирует ответственный редактор «НГ-науки» Андрей Ваганов: «Человек способен понять вещи, которые он уже не в силах вообразить, отмечал в свое время нобелевский лауреат Лев Ландау, рассуждая о квантовой механике. И все-таки перевести объекты в изображения – это неистребимая потребность физиков. Соответственно изобразить нечто непредставимое в образах принципиально считалось невозможным. Вернее, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это – давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».
И тем не менее магистральная линия в науке (не только в физике) – визуализация концептов, результатов, гипотез. Хрестоматийный пример «визуализации» непредставимого, но измеримого – ньютоновский закон всемирного тяготения. Ньютону удалось сделать главное – найти образ, который стал наглядным, а потому и запоминающимся, визуальным символом новой загадочной силы – гравитации. Этот образ и материализовался в падающем яблоке…» (см. «НГ» от 11.12.19).
Между тем и ту и другую математические бесконечности – 10–33 и 10100 – как мы увидели, физики пытаются – иногда это им удается! – визуализировать. Или, если угодно, сфотографировать. Американский писатель, профессор Норман Казинс как-то заметил: «Бесконечность превращает невозможное в неизбежное». И 133 порядка величины от планковской длины до гугола – это как раз тот случай.
Фотография, изображения, полученные физиками/космологами, не рассказывают нам о том, что мы называем реальностью; о мельтешении и коллизиях протоплазмы («кваканье плоти»), в бесконечных муках добывающей себе средства и основания к существованию... (Зачем ей, протоплазме, это существование, этот нырок из Ничто – в пространственно-временной континуум? – это онтологическая боль любой философской системы.) Эллины не различали понятий «видеть» и «знать» – отсюда лабораторная чистота их стиля жизни; считается, что римлянин Вергилий, пожалуй, был первым в писаной истории вида Homo sapiense, поднявшимся на холм с праздной целью – насладиться видом окрестных пейзажей империи с высоты. Просто – насладиться.
Сетчатка глаза – это изумительное по своей сложности и тонкости исполнения чувствилище мозга, вынесенное эволюцией на фронтир черепной коробки, – тогда, возможно впервые, зафиксировала и передала в неокортекс чувство адреналивой тоски. С этим, пожалуй, может сравниться только взгляд астронавта с Луны на восходящую над горизонтом Селены Землю – взгляд, зафиксированный на фотографии, в тончайшем слое желатина. И все же, как призывает нас современный ирландский поэт Рэй О’Ганн:
Доверяй сетчатке больше,
чем желатину.
Человек – это то, на что он
смотрит:
камень, пыль, ангелы и прочая
животина,
кожура граната в бархатном
натюрморте...
(Перевод мой. – В.А.)
Поразительно, как сугубая поэтическая метафора может найти своего дублера в относительно строгой физической интерпретации. У того же Фрэнка Вильчека: «Там, где наши глаза ничего не видят, наш разум, обдумывая откровения точных экспериментов, обнаруживает некую Сетку, которая является основой физической реальности. Основной компонент реальности оживлен квантовыми процессами. Квантовое поведение обладает особыми характеристиками. Оно спонтанно и непредсказуемо. И для наблюдения квантовых явлений вы должны обеспечить возмущение этого компонента».
По существу, то, о чем говорит Вильчек, – этим и занимаются физики, об экспериментах которых рассказано выше. Пространство – это первичная реальность, вторичным проявлением которой является материя. И эту материю удается «сфотографировать». На этом пути, кстати, возникают не только технологические, но и семантические трудности (еще один case к теме «физики и лирики»).
Итальянский известный медиевист, профессор и романист Умберто Эко в своей работе «Поиски совершенного языка в европейской культуре» (2007) отмечает: «Давно замечено: подлинное ограничение иконограмм состоит в том, что образы могут выразить форму или функцию предмета, но с действиями, глагольными временами, наречиями или предлогами дело обстоит сложнее. Сол Уорт написал (1975) очерк под заглавием «Pictures can’t say ain’t» («Рисунки не могут сказать: «Этого нет») и пришел к заключению, что с помощью образа нельзя указать на отсутствие изображенного предмета. Разумеется, можно разработать наглядный код с графическими определителями, которые обозначали бы «присутствие/отсутствие», «прошлое/настоящее» или «наклонение». Но подобные ухищрения паразитировали бы на семантическом универсуме вербального языка, как это произошло с «универсальными характеристиками»…»
Конечно, возможно помыслить и футурологическую (пока еще) ситуацию. Скажем, для описания «воображения» таких квантовых объектов, о которых говорит Фрэнк Вильчек – волновая функция, внутренняя структура протона или электрона, – может быть, когда-нибудь будет приискан способ непосредственно, минуя изображения на сетчатке и вербальные описания, перенесения образов (представлений, презентаций) из мозга в мозг.
Но скорее всего это великий обман (самообман) человека разумного – отождествлять увиденное глазами с объективно существующим. (Вообще, концепт объективности – это один самых полемически заряженных концептов философии.) Здесь мы вступаем в зону метафизического конфликта между знанием и образом. Великий математик Анри Пуанкаре как-то заметил: «Всегда необходимо возвращаться к интуиции, чтобы преодолеть пропасть, которая отделяет символ от реальности».
В классическом труде «Объективность» Лоррейна Дастона (директор Института истории науки имени Макса Планка в Берлине и приглашенный профессор в Комитете по общественной мысли Чикагского университета) и Питера Галисона (профессор истории науки и физики Гарвардского университета имени Джозефа Пеллегрино) этот конфликт получает следующий анамнез: «У объективности есть история. Она не всегда определяла науку. Объективность не тождественна истине и достоверности и моложе их обеих. Объективность сохраняет артефакт или варьирование, которые могли бы быть стерты во имя истины. Она не решается отфильтровывать шумы, подрывающие определенность. Быть объективным – значит стремиться к знанию, которое не несет в себе следы познающего, – знанию, не отмеченному предрассудком или умением, фантазией или суждением, желанием или стремлением. Объективность – это слепое зрение, видение без умозаключения, интерпретации или рассуждения. Только с середины ХІХ века ученые начинают стремиться к этому слепому взгляду – «объективному взгляду», охватывающему случайности и асимметрии…».
Что ж, поживем – увидим.
Константин Ремчуков 
