Бессмертные квантовые частицы (и при чем тут биология)

(Июнь 2019, idb)

Занятная ситуация с чередой открытий в современной физике складывается так, что у ученых стабильно нарастает массив достоверных фактов, возмутительно подрывающих базовые основы их науки. Что делать с этим, никто пока толком не знает. Поэтому пресс-релизы об очередных научных достижениях получаются одновременно и содержательные, и нелепые.

Дабы сразу и по существу приобщить читателей к парадоксам современной научной жизни, полезно предложить всем для решения совсем простенький тест на элементарную логику и внимательность. Парадокс в том, что если отвечать на вопрос бесхитростно и в лоб, то данный «тест на понимание дел в науке» гарантированно будет вами провален…

Итак, что имеем для тестирования. В сентябре 2018 года в интернете появляется публикация на тему физики, которую пока назовем «текст А» , где природа осцилляций квантовых частиц рассматривается с существенно новых, биологических позиций. И по всему выходит так, что с биологической точки зрения в данном процессе обнаруживаются, как ни крути, «вечная жизнь» частиц и вполне отчетливое нарушение законов термодинамики.

Пару недель спустя, в октябре 2018, в интернете появляется существенно другая научная публикация, назовем её «текст B» , где рассказано об интересном новом результате ученых в области квантовой физики конденсированных сред. Но в тексте этом, что надо подчеркнуть особо, в принципе нет таких слов, как «законы термодинамики», «осцилляции» и «вечная жизнь» частиц.

Затем проходит еще полгода с лишним, и в июне 2019 года в интернете появляется третий материал (пресс-релиз) о новостях в мире физики, назовём его «текст С» . Заголовок этой публикации в развернутом виде звучит так: «Бессмертные квантовые частицы. Осциллирующие квазичастицы: цикл распада и возрождения» . В статье, как видно уже по названию, популярно рассказывается про открытие феномена вечной жизни частиц в квантовом мире и про то, как это открытие соотносится с началами термодинамики.

Ну а теперь – собственно Вопрос:

Про какую из двух работ 2018 года рассказывает нынешний пресс-релиз C? Про текст A или про текст B?

Ответ вроде бы совершенно очевиден. И он заведомо окажется неправильным…

Потому что пресс-релиз рассказывает о статье B, в октябре 2018 заранее опубликованной на сайте препринтов как arXiv:1810.01422 [cond-mat.str-el]  , а в июне 2019 – уже официально в журнале Nature Physics под названием «Избегаемый распад квазичастицы при сильных квантовых взаимодействиях» (Ruben Verresen , Roderich Moessner, and Frank Pollmann. «Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions» ).

В этой научной статье от коллектива исследователей из мюнхенского Технологического Университета (TUМ) и дрезденского Института Физики Сложных Систем действительно вообще не встречаются такие слова, как «осцилляции», «возрождение» и «бессмертие» частиц. Однако, в университетском пресс-релизе, более популярно рассказывающем о том, в чем же заключается суть достижения ученых, вполне хватает цитат от непосредственных авторов работы, оперирующих в своих комментариях именно такими терминами и понятиями.

Ну а про то, как эти достижения следует соотносить с «незыблемыми» началами термодинамики – которые именно в данной работе достаточно отчетливо подрываются – это пытаются объяснить читателям уже некие анонимные авторы пресс-релиза. Причем делают это крайне неуклюже и на редкость неубедительно. Отчего и весь пресс-релиз с одной стороны получился содержательно-информативным, а с другой – беспомощно-нелепым в своих настойчивых попытках объяснять факты с опорой на  заблуждения.

Оба этих аспекта по-своему важны – хотя и по разным причинам. Новые достоверные факты двигают научный прогресс, дежурные же их объяснения с помощью устойчивых заблуждений тот же прогресс всячески тормозят. По этой причине, дабы как можно четче понимать происходящее, разбираться с этими вещами следует подчеркнуто по отдельности – аккуратно отделяя содержательные факты от нелепых комментариев. После чего суть открывающейся картины полезно подытожить подходящим наблюдением от авторитетного и сведущего в подобных делах научного светила.

# Содержательная суть: бесконечный цикл распада и возрождения

Дабы стала понятнее суть нынешнего достижения – открытие существенно новой стабильной физики у квантовых квазичастиц – полезно напомнить и уточнить базовую терминологию.

Концепция квазичастиц была введена в квантовую физику весьма давно, еще в первой половине XX века, с подачи знаменитейшего советского теоретика Льва Ландау. В основу концепции легла идея о том, что множество частиц материи, находясь в постоянных электрических и магнитных взаимодействиях друг с другом, может обретать стабильное коллективное состояние. Ландау же математически показал, что в этом случае система из множества частиц в возбужденном состоянии начинает действовать как единый квантовый объект – получивший название «квазичастица».

Концепция квазичастиц оказалась в высшей степени полезным изобретением. На протяжении многих последующих десятилетий опора на квазичастицы очень помогала ученым математически описывать (или, как еще говорят, «объяснять») великое множество разнообразных квантовых феноменов – от сверхтекучести и сверхпроводимости до дробного квантового эффекта Холла. Соответственно, постоянно прирастал и экзотический зоопарк самых разнообразных квазичастиц, известных ныне под такими названиями как фононы, магноны, ротоны, экситоны, энионы и так далее.

Но при этом, однако, практически у всех теорий, объяснявших квантовые феномены с опорой на квазичастицы, устойчиво имелся один весьма неприятный момент. Объяснения и формулы хорошо работали лишь для состояний минимальной энергии системы, или иначе, при очень низких температурах. Когда же энергия системы возрастает – с одновременным усилением взаимодействий между квазичастицами, – то прекращается и стабильное коллективное поведение элементов. Квазичастицы распадаются.

Или так, во всяком случае, было принято считать. Но вот что обнаружено в новой работе исследователей из Германии, цитируя резюме их научной статьи в Nature:

Про квазичастицы известно, что они могут быть долго живущими объектами при самых низких уровнях энергии в системе. Однако, согласно общепринятой точке зрения, такие квазичастицы становятся нестабильными, когда они сталкиваются с неизбежным континуумом многочастичных возбужденных состояний при более высоких энергиях.

… [здесь] Мы демонстрируем, что эта точка зрения отражает далеко не всю картину. И на самом деле сильные взаимодействия в общем случае стабилизируют квазичастицы – выталкивая их из континуума состояний [в четко структурированные дискретные уровни энергии].

Этот общий механизм прямо и наглядно иллюстрируется на примере точно решаемой модели – с опорой на современные компьютерные возможности и методы вычислений…

В тексте университетского пресс-релиза еще несколько цитат от авторов комментируют суть открытия в чуть более популярной форме:

Вплоть до нынешнего дня предполагалось, что квазичастицы в составе взаимодействующих квантовых систем по прошествии определенного времени распадаются. Теперь же мы знаем, что в действительности дела обстоят с точностью до наоборот: сильные взаимодействия могут останавливать процесс распада даже полностью.

Какие именно процессы влияют на судьбу этих квазичастиц во взаимодействующих системах, прежде было неизвестно. Лишь только теперь мы стали располагать продвинутыми вычислительными методами для обсчета сложных взаимодействий, а также компьютерами с такой производительностью, которая достаточно высока для решения этих уравнений.

Главный результат компьютерного моделирования таков. Установлено, что да, квазичастицы действительно распадаются, однако из этих результатов распада тут же возникают новые, идентичные прежним сущности типа частиц. То есть в условиях, когда распад происходит очень быстро, то сразу после этого происходит и обратная реакция, собирающая фрагменты снова вместе. Этот процесс может повторяться бесконечно долго – возникает постоянно продолжающаяся осцилляция между распадом и возрождением…

Особо приятным дополнением к данному теоретическому открытию весьма общего характера стало то, что разработанный учеными подход хорошо и убедительно позволяет объяснять такие из уже имеющихся экспериментальных данных, для которых прежде удовлетворительных объяснений не было. В частности, это продемонстрировано с подробностями на примерах сверхтекучего гелия и озадачивающе стабильной физики магнонов в материале-компаунде Ba₃CoSB₂O₉.

# Комментарии, углубляющие заблуждения

Университетский пресс-релиз, в популярной форме оповестивший мир об интересном открытии ученых из Мюнхена и Дрездена, открывают утверждения такого рода:

Ничто не вечно под луной, как говорится. И законы физики это подтверждают: все процессы на нашей планете увеличивают энтропию, откуда происходит и молекулярный беспорядок. Разбитое стекло, к примеру, никогда не соберется обратно в целое.

Распад в макроскопическом мире неизбежен – развалившиеся объекты не складываются опять вместе. В квантовом мире, однако, действуют другие законы. Новое исследование показывает, что так называемые квазичастицы могут распадаться и вновь собираться обратно, таким образом становясь практически бессмертными. Физики-теоретики обнаружили, что вещи, которые выглядят немыслимыми в повседневном мире, оказываются возможными на микроскопическом уровне природы…

Уже на этом месте следовало бы прервать цитирование и наглядно продемонстрировать, до какой степени неверными являются все эти заявления, представляющиеся как бы самоочевидными научными истинами – про «нашу планету, макроскопический мир и увеличение энтропии от всех процессов».

Для полноты картины, однако, полезно привести еще одну цитату – из завершающей части пресс-релиза. Где как бы «объясняется», почему новое открытие ученых, обнаруживших вечные осцилляции материи между распадом и возрождением, вовсе не нарушает незыблемые законы термодинамики (как может показаться людям несведущим):

С физической точки зрения, эта осцилляция является волной, которая преобразована в материю, что возможно благодаря квантово-механической дуальности волна-частица. Таким образом, следовательно, эти бессмертные квазичастицы не нарушают второй закон термодинамики [запрещающий уменьшение энтропии]. Здесь процесс распада остановлен – энтропия остается постоянной…

Что же тут категорически и в корне не так со всеми подобными «объяснениями» ученых комментаторов?

Ну, в общем-то, всё тут не так. От начала и до конца.

Начать надо с того, что законы термодинамики были сформулированы в XIX веке, задолго до появления квантовой физики. Или, тем более, концепции открытых диссипативных систем – для которых начала классической термодинамики (описывающей изолированные системы) неприменимы просто по определению.

Принципиально важно и то, что начала термодинамики никто и никогда не доказывал. Ибо это чисто эмпирические закономерности, обретенные на основе опытов и математически зафиксированные учеными при конструировании тепловых машин, насосов и прочих механических двигателей. А затем отважно обобщенные и на всю природу в целом. В условиях, подчеркнем, когда физика еще не имела ни малейшего понятия об устройстве природы на микроскопическом уровне…

Никто, находясь в здравом уме, не будет оспаривать, что законы термодинамики предоставили ученым и инженерам мощный фундамент, на основе которого были достигнуты многочисленные успехи науки и техники. Но из этого вовсе не следует, что законы, полезные людям в некоторых из их человеческих занятий, универсально и с необходимостью верны и для всей природы в целом.

Формулируя то же самое чуть более аккуратно, в течение XX века ученые установили, что помимо начал термодинамики в природе определенно работают и существенно другие законы – действующие в сугубо противоположном направлении. В частности, были во множестве обнаружены термодинамически открытые системы, а также разнообразные законы самоорганизации, управляющие динамикой развития этих систем.

И если изолированная система, предоставленная сама себе, демонстрирует стремление к тепловому равновесию и увеличению энтропии как меры беспорядка, то системы открытые, постоянно получающие и диссипирующие дополнительную энергию, рассеивая её вовне, обладают в корне иными свойствами. Такие системы стабильно демонстрируют способность к самоорганизации и к устойчивому возрастанию своей упорядоченности. А следовательно, и к уменьшению энтропии.

Таких самоорганизующихся и постоянно эволюционирующих систем на нашей планете сколько угодно. Достаточно присмотреться к 4 миллиардам лет эволюции биологических форм жизни – от простейших вирусов или бактерий и вплоть до человечества с его культурой и наукой. Естественно, все такие системы по определению нарушают законы термодинамики. И не замечать это способны лишь те из ученых, у кого от веры в догмы науки повредился элементарный здравый смысл.

Масштабы вопиющих несоответствий между началами термодинамики и окружающей человека жизнью, однако, вовсе не ограничиваются биологией. Если чуть более пристально вглядеться в естественную физику окружающего мира, то совсем несложно заметить, что изолированных систем на самом деле в природе не существует. А это означает, что процессы самоорганизации, сопровождающиеся уменьшением энтропии системы, происходят в природе всегда, повсюду и на всех масштабах.

Когда электроны и протоны собираются в атом, число степеней их свободы (энтропия системы) уменьшается, ибо атом – это определенно более упорядоченная система, нежели множество частиц, хаотически мечущихся по отдельности. Когда атомы в процессах самоорганизации собираются в молекулы или в структуры кристаллической решетки, то все эти процессы аналогично уменьшают энтропию системы. В независимости от того, как это соотносится с нашими законами термодинамики.

Всерьез занявшись повсеместными явлениями самоорганизации частиц материи на квантовом уровне, наука обнаружила существенно новую для себя концепцию «эмерджентных феноменов». То есть совершенно особенных, непредсказуемых заранее феноменов коллективного поведения в системе, порождаемых при взаимодействиях элементов друг с другом. Такие феномены невозможно выводить из «первых начал» фундаментальной теории, однако именно они оказываются определяющими для поведения системы в целом. (Сверхтекучесть и сверхпроводимость – явления именно этого «невыводимого» ряда.)

Более того, в самое последнее время наука стала обнаруживать, что эмерджентные феномены коллективного поведения на самом деле свойственны природе буквально на всех её масштабах – от квантового микромира до таких мегаструктур в космосе, размеры которых простираются на миллиарды световых лет. А также, конечно, и в том узком промежуточном диапазоне масштабов, что доступен нам для прямых наблюдений и опытов. Плюс к этому, совсем свежая концепция активной или, иначе, живой материи позволила отыскивать общие математические описания как для коллективного поведения живых организмов, так и для самоорганизующихся диссипативных систем той части природы, которую по давней традиции называют неживой.

Примечательно, наконец, и то, что концепция квазичастиц, изначально очень полезная лишь в квантовой физике, ныне оказывается без преувеличения универсальным понятием, облегчающим понимание природы на всех её масштабах. В мире наблюдаемой нами классической физики, к примеру, открыт замечательный феномен квазичастиц-осциллонов, то есть осциллирующих волн-солитонов, наглядно демонстрирующих аналогию для «вечной жизни» квантовой частицы, постоянно распадающейся и возрождающейся снова.

А в мире пока что сугубо теоретической космологии уже давно, активно и плодотворно разрабатывается концепция черных дыр как квазичастиц космоса. Согласно этой концепции, подобно тому, как квантовые частицы материи оказывается на удивление удобно представлять в виде «черных дыр» микромира, так и астрономические черные дыры удобно трактовать как макро-квази-частицы вселенной…

# Содержательный итоговый комментарий от сведущего светила

Нынешняя работа ученых-теоретиков из Мюнхена и Дрездена сосредоточена на физике конденсированного вещества. Или иначе, на физике частиц и материи при низких и очень низких уровнях энергии (температуры). Или, как еще иногда говорят, в области «малой науки».

А по давно зародившейся традиции, идущей от впечатляющих успехов создателей атомной бомбы, среди большинства ученых-физиков до сих пор принято считать, что самые значительные и фундаментально важные вещи открывают исследователи, работающие в диаметрально противоположном конце. В области физики частиц высоких энергий или, иначе, в «большой науке».

Но следует подчеркнуть, что подобная точка зрения вовсе не является тотально общепринятой. Среди несогласных ученых одним из наиболее знаменитых и бесспорно компетентных по праву может считаться Роберт Лафлин, лауреат нобелевской премии по физике за 1998 год.

Наиболее почетная среди физиков награда была получена Лафлином за объяснение – на основе квазичастиц – одного из особо загадочных квантовых феноменов, дробного квантового эффекта Холла. Ну а самое примечательное, что это и само по себе выдающееся достижение в области теории конденсированного вещества стало также и важнейшим аргументом в поддержку весьма новых и непривычных для физики взглядов на устройство природы.

Суть нового взгляда в том, что нынешние представления ученых о науке большой и науке малой – это наше заблуждение. А концепция квазичастиц, в свою очередь, предоставляет удобный инструмент для нового, единого в своих подходах систематического исследования природы – на всех её равно важных масштабах и уровнях энергии.

В частности, о мощных аналогиях и параллелях между физикой высоких энергий и физикой сверхнизких температур в одной из книг Роберта Лафлина, «Другая вселенная», рассказывается так:

Воистину легендарны аналогии между физикой пространственного вакуума и низкотемпературными фазами материи. Глубина аналогий здесь такова, что даже наиболее тонкие феномены [сверх-охлажденной материи] оказываются неотличимы от физики элементарных частиц [высоких энергий] в очень общем смысле.

Это один из наиболее поразительных фактов науки, и нечто такое, во что студентам обычно крайне трудно поверить. Но постепенно, коль скоро экспериментов и свидетельств тому предостаточно, причем все они согласуются друг с другом, приходится в данных вещах убедиться.

Попутно, чем больше люди изучают математические описания холодных фаз материи, тем больше они перестают удивляться и привыкают к параллелизму и взаимозаменяемости терминов для физики пространства и физики материи. Когда вместо частиц мы говорим о возбуждениях. Или когда вместо коллективных движений мы говорим о квазичастицах.

Причем вот этот префикс «квази» не несет в себе уже никакого содержательного смысла, являясь просто рудиментом исторических битв о физическом смысле данных объектов. В частных беседах ученые обычно отбрасывают это притворство и говорят о таких объектах как о частицах…

# #

Для полного завершения очерченной здесь картины осталось ответить лишь на один вопрос:

А что же это был за «текст А», который появлялся в самом начале материала, но вообще никак не рассмотрен в последующем?

Юмор происходящего заключается в том, что этот текст, опубликованный под названием «Квантовая биология частиц»  раньше прочих текстов B и С, рассказывает обо всем том же самом, что и здесь – но только в развернутом виде и с опорой на другие факты, уже добытые наукой прежде.

Неоспоримые факты из таких областей, как история науки, лингвистика и логика, анатомия и биология. Ну и физика, конечно же и всенепременно.