# Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир

Феликс Фликер

Нас завораживают далекие галактики, черные дыры и элементарные частицы, но давно ли мы задумывались о повседневной магии вокруг нас? Крошечные атомы сталкиваются, образуя снежинки, кристаллы и даже сов, которые для ученых не то, чем кажутся. Профессор Феликс Фликер считает, что нет ничего загадочнее физики, благодаря которой каждый может почувствовать себя волшебником. В этой удивительной книге соседствуют Шерлок Холмс, Терри Пратчетт и скандинавский бог грома Тор, увлекая читателя в магический мир физики. Что черные и белые овцы способны рассказать нам о магнитах? Почему нам сложно установить яйцо в равновесии? Как связаны Альберт Эйнштейн, Мэрилин Монро и кристаллическая решетка? И как не замерзнуть в космосе на ковре-самолете? Прочитав эту книгу, вы больше не сможете смотреть на мир как прежде.
В формате PDF A4 сохранён издательский дизайн.

# Феликс Фликер. Магия физики. Как управлять тайными силами материи, создавать вещества из квантового мира и вызывать кристаллы из хаоса

Felix Flicker

THE MAGICK OF MATTER

Crystals, chaos and the wizardry of physics


© Felix Flicker, 2022

© Прокофьев Д.А., перевод на русский язык, 2023

© Издание на русском языке. ООО «Издательская Группа «Азбука-Аттикус», 2024

КоЛибри®

* * *

> Феликс Фликер блистательно раскрывает тайны, скрывающиеся за магией нашего времени, которую мы называем физикой. Эта превосходно написанная книга вдохновит новое поколение научных волшебников и поможет поколению нынешнему постичь невероятную Вселенную, в которой мы живем.

> Маркус дю Сутуа, профессор математики Оксфордского университета

> Ироничная, глубокая и проницательная книга. Волнующее погружение в загадочный мир физики.

> Чарльз Фостер, автор книги «Быть человеком»

> Эту книгу обязательно должны прочитать те, кто хочет понять, как знание физики преобразует наш мир.

> Феми Фадугба, автор книги «Верхний мир»

> Увлекательная история о часто упускаемом из виду столпе современной науки.

> Nature Physics

> После этой книги вы перестанете воспринимать обычные, повседневные вещи как должное и заново откроете для себя удивительное волшебство мира.

> BBC Radio 4

## I. «Физика грязи»

> Волшебница Вериана пробиралась по холодной, темной пещере, привычно нашептывая в свой кристалл заклинание. Дунув на камень, как если бы она сдувала семена с одуванчика, она пробудила в кристалле ослепительный красный свет, озаривший окружавшие ее мшистые скалы.

> Пройдя еще немного, она оказалась перед входом. Путь ей преградила большая деревянная дверь, укрепленная широкими железными брусьями. В резком свете кристалла она нашла дверную ручку – толстое кольцо из черного железа. Она потянула за кольцо, но дверь не подалась: она была заперта. Найдя край двери, волшебница запустила пальцы в узкую щель между дверью и окружавшим ее камнем и нащупала засов, сделанный из того же грубого железа, что и кольцо.

> Вериана снова заговорила с кристаллом тем же уверенным негромким голосом, и он стал постепенно темнеть. Через несколько секунд она вновь оказалась в абсолютной темноте. Встав напротив засова, она положила кристалл на ладонь и поднесла его к двери, как пучок травы к морде лошади. Когда она произнесла несколько слогов древнего языка, на этот раз более резким тоном, вновь появился свет – теперь это был узкий, сфокусированный красный пучок интенсивного жара. Проникнув в щель, луч прорезал засов, оставляя после себя красно-оранжевое свечение расплавленного железа. В воздухе разлился острый запах кузнечного горна. Свет исчез так же быстро, как появился. Она снова потянула за кольцо; дверь неохотно открылась. При этом с другой стороны, от сложенной из каменных глыб лестницы, в расширяющийся проем начали просачиваться свет и жизнь. Волшебнице предстояло потрудиться.

Эта книга – о колдовстве. В ней раскрываются секреты искусства волшебников и рассказывается, как научиться их использовать. Кроме того, в ней излагается история магии – повествование о том, как волшебники вывели из своих наблюдений за миром заклинания, которые они используют, и как современные волшебники продолжают разрабатывать новое волшебство для преобразования мира прямо на наших глазах.

В современном мире магию называют физикой, а колдовство, которым занимаются волшебники –физикой конденсированного состояния. Прежде чем мы поговорим о значении этих слов, я должен предупредить вас об одной особенности этой книги. Когда вы узнаёте, как использовать то или иное заклинание, производимое им действие перестает казаться вам волшебным. Оно становится прозаическим. Обыденным. Скучным. Такова цена магического знания. Чтобы вновь обрести способность поражаться так, как вы поражались, когда вам только показывали это волшебство, требуется много практики и терпения.

На протяжении большей части истории – и даже на памяти ныне живущих людей – история, которую вы только что прочитали, относилась к жанру фантастики. Если вы могли достать из кармана кристалл, способный осветить пещеру по вашему желанию, тут, несомненно, происходило нечто волшебное, а вы были колдуном. Однако в наши дни это действие стало совершенно прозаическим: такой кристалл называется светодиодом; нажав на выключатель, вы пускаете через него электрический ток, и от этого появляется свет. Лазерный диод – тоже кристалл – испускает интенсивный свет, и, если его сфокусировать, он может разрезать твердый металл. Сейчас вам, вероятно, кажется, что вас обманули. В использовании светодиодного фонарика нет никакой магии. Светодиодный фонарик – этоскучно! В магии должно быть нечто непонятное, нечто неизвестное. Светодиодные фонарики неинтересны, потому что они нам знакомы и потому что мы – до той или иной степени – понимаем, как они работают. Но если бы можно было показать такой фонарик человеку, жившему в Средние века, он, несомненно, счел бы его вещью волшебной, потому что лежащая в его основе технология выходила за рамки привычного. При наличии достаточного времени средневековому человеку можно было бы объяснить эту технологию. При этом, по мере все большего знакомства с ней, фонарик переставал бы казаться волшебным. Но в самом ли деле он теряет свои волшебные качества? Или это всего лишь иллюзия?

Чтобы увидеть волшебные аспекты привычных вещей, нужно потрудиться, но эти аспекты у них есть. Физика – это программа рационализации и познания мира. Многое из того, что некогда считалось волшебным, стало теперь частью повседневности. Но наше понимание мира, как правило, развивается шаг за шагом, опираясь на уже имеющиеся знания. Анекдот может оставаться смешным вечно, но «въехать» в него можно только один раз. Зато, если вы поняли анекдот, это позволяет вам пересказывать его другим. Если вы делаете это достаточно умело, то при небольшом везении этот анекдот произведет на других такое же впечатление, какое он произвел на вас. То же происходит и с волшебством. Главное в познании магии мира – изучении физики – постоянно смеяться над анекдотом космического масштаба. Нам не просто показывают, как фокусник исполняет свой номер, а объясняют, как устроен этот фокус. Я надеюсь, что, когда вы впервые познакомитесь с некоторыми из идей, о которых идет речь в этой книге, они смогут вызвать в вас это ощущение волшебства. И что, когда вы прочитаете эту книгу, вы будете понимать, откуда взялись эти идеи, и они покажутся вам более естественными. Возможно, вам придется приложить некоторые усилия, чтобы сохранить то ощущение волшебства, которое они вызывали у вас раньше, но знакомство с заклинаниями позволит вам использовать их на благо других.

Правила колдовства

Теперь, раз вы уже предупреждены, можно поговорить о волшебниках. Когда я говорю о волшебниках, я имею в виду волшебников вполне классических. Тех, кто занимается магией[1]. На мой взгляд, волшебникам свойственны следующие основополагающие черты – назовем их «Правилами колдовства»:

1. Волшебники изучают мир.

2. Волшебники понимают, что являются частью того мира, который они изучают.

3. Благодаря своему разуму волшебники замечают скрытые закономерности и связи, которых не видят другие.

4. Знания волшебников – это знания практические, прикладные.

5. Волшебники могут вызывать изменения мира, но производят такие изменения с заботой о нем (см. п. 2).

Иногда исследования волшебников могут быть образовательными – как учеба Гарри и Гермионы в «Хогвартсе». Бывает, что исследование представляет собою молчаливое размышление – как это свойственно Рей и Йоде в «Звездных войнах», мудрецам классических даосских текстов наподобие «Чжуан-цзы» или сверхъестественно одаренным мастерам боевых искусств вроде Катары и Аанга из эпического телесериала «Аватар»[2]. Часто исследование принимает форму экспедиции, путешествия по миру – как это происходит с Гэндальфом во «Властелине колец», Морганой и Мерлином в легендах артуровского цикла или Тенар и Гедом в классических романах о Земноморье Урсулы Ле Гуин. Во многих современных примерах волшебником бывает сверхъестественно талантливый ученый. Свершения Дока Брауна в фильмах «Назад в Будущее», Рика в «Рике и Морти» и Доктора Кто приписываются научным достижениям, но используемые ими технологии настолько превосходят понимание остальных персонажей и зрителя, что больше похожи на магию. Если внимательно перечитать этот список примеров, станет ясно, что «Правила волшебников» неявно предполагают существование одного важного негласного правила – «Правила бунтарства»:

> Волшебники понимают, что правила существуют для того, чтобы их нарушать.

Взгляните еще раз на пять с половиной правил волшебников и замените слово «волшебники» на слово «ученые». Подходит, не правда ли? Более поэтически это сформулировано Дж. Дж. Фрэзером в его летописи магических практик под названием «Золотая ветвь»:

> В основе как магии, так и науки лежит твердая вера в порядок и единообразие природных явлений… Как магия, так и наука открывают перед тем, кто знает причины вещей и может прикоснуться к тайным пружинам, приводящим в движение огромный и сложный механизм природы, перспективы, кажущиеся безграничными[3].

Эти слова Фрэзера описывают связь между магией и наукой. Но колдовство – это особый вид магии, особый вид науки. И у него есть свое название – физика конденсированного состояния.

Магия истинных имен

Зоология изучает животных. Ботаника изучает растения. А что изучает физика? Ее название происходит от древнегреческого τα φυσική (та фисики), что означает «естественное». Оно позаимствовано из названия сборника работ Аристотеля о физическом мире. Однако это не слишком-то помогает определить область, о которой идет речь, сколько-нибудь точнее. Возможно, наилучший ответ заключается в том, что физику определяют не столько те явления, которые она изучает, сколько те уникальные методы и инструменты, которые она использует. Грубо говоря, эти инструменты делятся на три группы. Как правило, каждый конкретный физик специализируется лишь на одной из них, хотя для получения искомых знаний о естественном мире необходима совместная работа всех трех.

Эти три категории инструментов – это эксперимент, вычисления и теория. Физики-экспериментаторы исследуют поведение мира, ставя практические опыты. Какими бы экстравагантными и малопонятными ни становились наши научные теории, они всегда должны давать проверяемые на опыте предсказания. Эти предсказания могут быть подтверждены или опровергнуты путем наблюдений: волшебники не изобретают заклинания, а изучают их. Там, где мы видим в своих вымышленных рассказах о волшебниках, как они выучивают свои заклинания, они неизменно делают это путем наблюдения за самим миром. Например, в «Аватаре» некоторые люди обладают врожденной способностью оказывать магическое воздействие на воду, которой их предки научились, наблюдая за влиянием Луны на приливы и отливы.

Специалисты по вычислительной физике создают и испытывают компьютерные модели мира. В таких моделях явления могут происходить в более регулируемых условиях и с большей частотой, чем в экспериментах, проводимых в реальном мире. Однако при этом физики, работающие с численными моделями, должны быть уверены, что те обладают всеми существенными свойствами реальных аналогов.

Физики-теоретики тоже работают с моделями реальности. Но, если вычислители обычно предпочитают наиболее точные модели, теоретики, как правило, пытаются найти простейшую из моделей, отражающих суть того или иного явления. Теоретику нужно научиться видеть истинную сущность вещей; этот процесс, несомненно, лежит в самом сердце любой магии.

Сам я теоретик, хотя также работаю в тесном сотрудничестве с экспериментаторами и вычислителями. Это руководство по современному колдовству написано с точки зрения теоретика – отчасти потому что это моя точка зрения, а отчасти потому что книгам такого рода свойственно сводить сложные истории к самой сути. Теоретики сочиняют аналогии, басни. Но, как сказал мне однажды коллега, доктор Янс Хенке, математическая модель – это самый сильный вид аналогии, потому что она не просто соотносит явления со знакомыми обстоятельствами: она также позволяет нам описать, причем весьма подробно, как те же явления будут происходить в новых, не испытанных на опыте ситуациях. Затем экспериментаторы могут проверить эти явления и узнать, ведут ли они себя так, как предсказывает модель. Зачастую вначале появляются опытные наблюдения, и теория – «басня» – строится на их основе. Предположим, предсказания модели подтверждаются на опыте, причем повторяемым, проверяемым образом. Это придает убедительности предположению, что простые элементы, вошедшие в эту модель, содержат в себе суть явления. Теоретическая физика часто бывает близка к математике; различие между ними возникает из разрыва между математической моделью – идеальной и предсказуемой – и реальностью, запутанным миром, который мы ощущаем на опыте. Теоретическая физика – это сочинение повествований, делающих математические модели более понятными.

Работа теоретика всегда напоминала мне магию истинных имен. Во многих культурах, от Древнего Египта до нынешних хакеров, существовала и существует идея о том, что знание истинного имени сущности дает власть над ней. Прекрасный пример такого представления в жанре фэнтези дают книги Урсулы Ле Гуин о Земноморье, которые считают первым примером литературного повествования, в котором волшебник является главным героем, а не второстепенным персонажем. В мире Земноморья волшебники учатся магии, прислушиваясь к миру и узнавая истинные имена вещей. Повседневные названия, которые мы используем для обозначения вещей, – всего лишь ярлыки, которые мы навешиваем на них, чтобы называть их в разговорах. В Земноморье они называются обиходными именами, но кроме них у каждой вещи есть истинное имя. Говорят, что эти имена происходят изЯзыка созидания. Например, читатель узнает, что истинное имя камня – «ток». Когда в разговоре с другими мы называем вещь ее обиходным именем, нечто теряется в переводе. Когда я говорю «камень», в моем сознании возникают определенные ассоциации, которых нет у других людей. Моя невеста Доминик объяснила мне это следующим образом. Если назвать истинное имя вещи, ничто не может потеряться в переводе просто по определению; у любого другого человека будет то же абсолютное понимание значения этого слова. Поэтому вполне естественно связывать истинные имена с заклинаниями. Как гарантировать абсолютное понимание в отсутствие самого предмета? Когда я говорю «камень», я могу иметь в виду какое-нибудь более общее свойство, присущее всем камням. Однако, чтобы произнести имя «ток», мне нужно сначала понять сущность камня.

Истинные имена бывают и у людей. В графическом романе «Невидимые»[4] человек, становящийся магом, должен принять магическое имя. При этом очень серьезно предупреждают, что подходить к выбору имени ни в коем случае нельзя легкомысленно: имя определяет личность. У меня есть друг, религия которого требует обращаться к праведнику при выборе имени новорожденного. Считается, что праведник способен получить некое мистическое понимание сути ребенка и дать ему соответствующее имя. На разных этапах жизни человека, по мере его развития, тот же праведник дает ему новые имена. Имя действительно может определять некоторые аспекты жизни человека. Мое собственное имя – Феликс Фликер – звучит абсурдно и привлекает внимание; я поневоле задумываюсь, развились ли у меня самого под его влиянием эти черты. Но воздействие имени может быть и более серьезным. В исследовании, проведенном в 2012 году, было установлено, что при рассмотрении одинаковых заявлений на соискание должности в научном учреждении заявления, поданные от лица кандидатов с женским именем, оцениваются ниже, чем поданные от мужского имени, и это считается достаточным основанием для назначения существенно более низкой зарплаты[5]

# Примечания

1

Я не хочу использовать слово «ведьмы» из-за его ассоциаций с историей преследований. Под «волшебниками» здесь подразумеваются занимающиеся магией люди любого типа и происхождения. –Примеч. автора.

Иногда я привожу ссылки на научные статьи, подтверждающие то, что я рассказываю о недавних исследованиях. Многие из этих статей написаны для специалистов; не предполагается, что их можно понять, не имея ученой степени в соответствующей области. Однако во многих случаях, если произвести поиск по названию статьи, можно найти в других местах ее краткое популярное изложение. Я привожу «цифровые идентификаторы объекта» (digital object identifiers, DOI), которые позволяют однозначно идентифицировать каждую работу.

Доступ к материалам по некоторым ссылкам требует платной подписки. Однако почти все современные публикации по физике также загружаются в виде препринтов на сайт arxiv.org, который обеспечивает бесплатный доступ к ним. Обычно препринты отличаются от журнальных публикаций только форматом, но не содержанием. Имейте в виду, что для загрузки статьи на сайт arxiv.org ей не требуется рецензирование специалистами; если статья, выложенная на arxiv.org, прошла рецензирование и была опубликована в журнале, к ней обычно прилагается ссылка на журнальную публикацию.

2

Avatar: The Last Airbender (в российском прокате «Аватар: Легенда об Аанге») – мультсериал, выходивший в 2005–2008 гг. К одноименному фильму Джеймса Кэмерона отношения не имеет. –Примеч. перев.

3

Пер. с англ. М. К. Рыклина. Цит. по:Фрэзер Дж. Дж. Золотая ветвь: Исследование магии и религии. 2-е изд. М.: Политиздат, 1983.

4

The Invisibles (1994–2000) – серия комиксов по сценариям шотландского писателя Гранта Моррисона. –Примеч. перев.

5

Corinne A. Moss-Racusin et al. Science faculty’s subtle gender biases favor male students // Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA. Vol. 109 (41). P. 16474–16479 (2012); doi.org/10.1073/pnas.1211286109