«Невозможность второго рода»: Явление квазикристаллов

Физик-теоретик Пол Стейнхардт, космолог, автор многих работ о ранней Вселенной, стал одним из первооткрывателей новой формы вещества — квазикристаллов, чья структура была запрещена классической кристаллографией. В книге «Невозможность второго рода» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Александром Сергеевым, Стейнхардт рассказывает об истории этого открытия. Предлагаем вам прочитать фрагмент о том, как две разные научные группы обнаруживают, что открыли новую структуру независимо друг от друга.

В большинстве своем научные прорывы распознаются медленно, подобно силуэту корабля, постепенно проступающему в густом тумане. Однако открытие того, что квазикристаллы — это реальность, а не просто гипотетическая идея, было подобно вспышке. Мне посчастливилось наблюдать эту вспышку, и это был незабываемый опыт.

Йорктаун-Хайтс, Нью-Йорк, 10 октября 1984 года. 

Все началось совершенно непримечательным осенним днем. Получив отпуск в Пенсильванском университете, я на несколько месяцев перешел в Исследовательский центр IBM имени Томаса Дж. Уотсона чуть к северу от Нью-Йорка, где надеялся поработать в лаборатории с другими учеными над созданием первого в мире синтетического квазикристалла.

В тот день мой бывший коллега, гарвардский физик Дэвид Нельсон, должен был вести семинар в Центре и планировал ненадолго заглянуть в мой кабинет. Дов тоже собирался прийти — мы планировали удивить Дэвида. Мне не терпелось поделиться нашей с Довом работой над безумной идеей о новой форме вещества, которая выросла из более ранней совместной работы с Дэвидом над быстро остужаемыми жидкостями.

Мы с Дэвидом не виделись несколько лет и тепло приветствовали друг друга. У него был все тот же отложившийся в моей памяти вид аккуратного мальчика, подчеркиваемый очками в проволочной оправе. Я давно предвкушал эту встречу, зная, как ему понравится то, что мы с Довом собирались ему показать.

Патентную заявку на нашу идею мы с Довом подали еще годом раньше, однако не распространяли раскрываемую в ней информацию в научных кругах. Юристы из Пенсильванского университета незадолго до того пришли к выводу, что, хотя наша идея была «важным открытием... инновационным и неочевидным... полезность этого открытия остается спорной». По сходным причинам мы на тот момент еще не подавали нашу квазикристаллическую теорию в научные журналы. Было ясно, что нужно получить экспериментальное подтверждение наших «спорных» заявлений, прежде чем мы сможем опубликовать свою идею. Так что к моменту, когда Дэвид пришел к нам и уселся для разговора, он ничего о нашей работе не слышал.

Я начал со слов о том, что мы с Довом хотим показать ему нечто удивительное. Но прежде, чем я продолжил, Дэвид прервал меня, сказав, что и у него есть нечто удивительное, что он хочет показать мне. Мы рассмеялись и согласились уступить гостю приоритет.

Дэвид вытащил из портфеля препринт, то есть отпечатанную версию научной статьи, поступившей в профессиональный журнал для тщательного рецензирования коллегами на предмет принятия ее к публикации. В те времена, как и сейчас, обсуждение препринтов было обычной практикой. Однако методы их распространения в доинтернетовскую эпоху были куда менее эффективными.

Статья была подана группой в составе Дэна Шехтмана, Илана Блеха, Дэниса Гратиаса и Джона Кана.

Я сразу был ошеломлен заголовком: «Металлическая фаза с дальним ориентационным порядком и без трансляционной симметрии». Погодите, — подумал я. — Без трансляционной симметрии? Это подразумевает, что атомы в их материале расположены беспорядочно. Ориентационный порядок? Это значит, что межатомные связи выровнены.

Такой заголовок в сочетании с тем, что показал мне его Дэвид, позволял предположить, что статья должна быть связана с компьютерным моделированием, которым мы занимались тремя годами ранее, тестируя его «кубатическую» идею. Ага, вот почему он показывает мне этот препринт, — подумал я. — Это похоже на экспериментальную проверку наших прежних догадок.

Я быстро взглянул на аннотацию, чтобы проверить свое первое впечатление, и внезапно почувствовал, как на меня нахлынула тревога. Авторы исследовали странный новый сплав алюминия и марганца, когда обнаружили... О боже!.. «Четкие дифракционные пятна, расположенные с икосаэдрической симметрией».

Я почувствовал, как подскочил мой пульс. Это было определенно не то, над чем мы работали с Дэвидом. Это больше походило на концепцию квазипериодического кристалла, которую мы с Довом изобрели, но еще не опубликовали. Неужели нас опередили? — подумал я.

Я торопливо дочитал остаток аннотации и успокоился, убедившись, что ответ был отрицательным. В статью не была включена теоретическая модель, поскольку, как я позднее узнал, модель Шехтмана — Блеха была признана неубедительной. Статья была, по сути, анонсированием сырых экспериментальных данных без попыток теоретического объяснения. Она не повторяла наши с Довом труды всех этих лет.

Переборов приступ сопернической агрессии, я стал листать остальные страницы препринта в поисках подробностей. Когда я дошел до страницы 8, у меня буквально перехватило дыхание, поскольку я увидел перед собой очень знакомую дифракционную картину. Она совпадала с рисунком, который мы с Довом предсказали для квазикристалла с характерной симметрией икосаэдра. Невозможно.

Я почувствовал, как у меня заколотилось сердце, а в голове словно начался салют. Я немедленно понял, что это значит.

Квазикристаллы существуют! Вот доказательство того, что безумная идея, над которой мы с Довом столько работали, в действительности не такая уж безумная!

Я знал, что это был исключительный момент. На какое‑то время, пускай ненадолго, я был единственным человеком, который видел и экспериментальную, и теоретическую дифракционную картину. Я был единственным человеком на земле, который точно знал, что квазикристаллы только что стали научной реальностью.

Я приложил все силы к сохранению нейтрального выражения лица, чтобы задержать мгновение и еще немного посмаковать это ощущение. В следующий момент я вскочил со стула и, не говоря ни слова, пересек кабинет, чтобы взять со стола единственный лист бумаги, который я приготовил к этой встрече. Все еще стараясь подавить улыбку на лице, я медленно вернулся к сидящим Дэвиду и Дову.

— А вот, Дэвид, — сказал я как можно спокойнее, — удивительная вещь, которую мы хотели показать тебе.

В правой руке у меня был только что взятый со стола листок с рисунком дифракционных пиков, предсказанным нами с Довом для квазикристалла. В левой руке я держал препринт, раскрытый на странице с экспериментально полученной дифракционной картиной.

И эти два узора совпадали.

Посвященный в нашу работу Дов среагировал мгновенно:

— Боже правый!

Не знаю, о чем подумал Дэвид. Но у нас с Довом не было ни малейшего сомнения в том, что именно только что произошло. Две исследовательские группы, работавшие в лабораториях, разнесенных всего на 250 километров, и совсем ничего не знавшие друг о друге, умудрились абсолютно независимо совершить взаимодополняющие научные прорывы. Мы с Довом изобрели теорию квазикристаллов, но у нас не было экспериментального доказательства. В статье Шехтмана был эксперимент, но не было теоретического объяснения. У каждой группы была часть деталей одного пазла. Собранные вместе, они являли собой важнейшее, можно даже сказать фундаментальное, открытие, касающееся устройства мира.

Дэвид начал расспрашивать о том, как нам удалось спрогнозировать дифракционную картину в виде снежинки. Мы с Довом пытались отвечать на его вопросы и подробно объяснять детали нашего исследования. Но, по правде говоря, мы едва сдерживались и буквально кипели от почти неконтролируемого возбуждения вплоть до конца встречи.

Мы с Довом ликовали, поскольку наша теория могла объяснить невозможный, казалось бы, экспериментальный результат. Но, к сожалению, это также означало, что у нас нет времени для торжества. Я сказал Дову, что нам нужно бросить все остальные дела и свести воедино результаты, накопленные нами за последние три года. Нужно было выделить самые важные моменты и написать короткую статью-анонс в Physics Review Letters. Затем необходимо было подготовить намного более обстоятельную статью с полным изложением результатов. Я знал, что все это можно сделать быстро, поскольку мы уже завершили огромный объем исследований. Это был лишь вопрос определения приоритетов в подаче материала и выбора того, какие части и в каком порядке представлять.

Наша статья для Physics Review Letters начиналась с введения понятия «квазикристалл». Мы объясняли, что квазикристаллы являются новой формой вещества с квазипериодическим упорядочением атомов и симметрией, которая долгое время считалась невозможной. Далее мы показывали, что твердые субстанции с такими свойствами имеют электронную дифракционную картину, полностью состоящую из четких брэгговских пиков. В ней нет размытых пиков и туманных облаков между ними. Мы объясняли, как устроены наши атомарные строительные блоки, ромбоэдры, и как работают придуманные нами правила совмещения, позволяющие атомам соединяться в квазипериодическую схему. Также мы представляли иллюстрации с предсказанными дифракционными картинами — кульминацией трех лет теоретических исследований.

Затем мы переключили внимание на результаты команды Шехтмана. Поскольку их статья еще не была отрецензирована и опубликована, оставался шанс, что их сплав окажется не квазикристаллом, а чем‑то иным. Поэтому мы с Довом высказались осторожно, не делая утверждения о точном совпадении:

Менее чем через три недели после нашей судьбоносной встречи с Дэвидом Нельсоном мы с Довом подали в журнал свою статью с теоретическим объяснением устройства этой невероятной новой формы вещества. В заголовке мы формально представили научному сообществу ее название: «Квазикристаллы: новый класс упорядоченных структур».

К этому моменту мы с Довом готовы были установить контакт с экспериментальной группой и рассказать им о наших поразительных новостях. Оказалось, однако, что Дэвид Нельсон уже написал Джону Кану в Национальное бюро стандартов и сообщил, что мы с Довом разработали потенциально связанную с их работой теорию. Так что мне не было нужды представляться. Мы быстро договорились с Джоном и его коллегой и соавтором французским кристаллографом Дэнисом Гратиасом об их визите к нам с Довом в Йорктаун-Хайтс.

Джон Кан оказался крупным мужчиной с приветливым лицом. Мы никогда прежде не встречались, но, хоть ему это было неведомо, я питал сильный профессиональный интерес к некоторым важнейшим, на мой взгляд, из его работ. Джон начал разговор с рассказа о своем опыте и в особенности о работе над малоизвестным феноменом, который называется «спинодальный распад» и встречается при затвердевании металлических жидкостей.

Джон упомянул как бы между делом, что слышал о космологе, который использовал эти идеи для разработки новой теории ранней Вселенной. Этим космологом был я. Он поинтересовался, слышал ли я об этом.

— Да, — ответил я, — действительно, есть у меня один знакомый космолог, который использует ваши экспериментальные результаты для разработки своих теорий. Так уж вышло, — добавил я с улыбкой, — что этим человеком случилось быть мне.

Теория спинодального распада Джона Кана действительно стала моим основным источником вдохновения при разработке новой инфляционной теории Вселенной, в которой вводилось понятие «изящного выхода» как способа прекращения первоначального взрывного инфляционного процесса.

— Для меня честь наконец с вами познакомиться, — сказал я ему.

После непродолжительной дискуссии о наших космических связях мы приступили к делу и провели следующие пять часов в оживленном сравнении наших заметок о квазикристаллах. Каждая команда рассказывала свои параллельные истории — экспериментальную и теоретическую, — которые, к общему восторгу, только что пересеклись с поистине судьбоносными последствиями.

Джон рассказал, как его протеже Дэн Шехтман впервые открыл десятилучевую дифракционную картину в сплаве, полученном в 1982 году в Национальном бюро стандартов. Когда Дэн показал ему тот узор, Джон предложил серию тестов, чтобы исключить наиболее вероятное объяснение, состоявшее в том, что сплав был обычным кристаллом с множественным двойникованием.

По словам Джона, он ничего больше не слышал об этом вопросе, пока двумя годами позднее, в 1984 году, Дэн не вернулся в лабораторию с результатами теста на множественное двойникование и описанием модели, которую они с Иланом Блехом предложили для объяснения странного нового сплава. Дэн сказал ему, что редакция Journal of Applied Physics уже отклонила их статью.

Джон был весьма впечатлен новыми данными Дэна, особенно результатами, которые опровергали теорию с множественным двойникованием. Однако модель Шехтмана — Блеха впечатлила его гораздо меньше — он рассматривал ее как несовершенный набросок.

Поэтому вместо того, чтобы биться над теорией, Джон посоветовал Дэну целиком сфокусироваться на публикации экспериментальных результатов. Он предложил подать короткую статью в престижный журнал Physical Review Letters.

Дэн последовал его совету и пригласил Джона присоединиться к нему в качестве соавтора и помочь переписать статью. Джон, в свою очередь, связался с французским кристаллографом Дэнисом Гратиасом и попросил его также войти в состав группы и перепроверить весь выполненный анализ.

Итоговым результатом стал тот самый препринт, который Дэвид принес мне, поданный на публикацию от имени группы в составе Шехтмана, Блеха, Гратиаса и Кана.

Джон рассказал нам, что уже начал попытки воспроизвести необъяснимые результаты. Его лабораторная группа начала дальнейшие исследования, чтобы укрепить уверенность в выводах относительно необычного сплава и поискать другие материалы, которые могут обладать сходными дифракционными картинами.

Затем настала наша с Довом очередь, и мы во всех подробностях описали, как пришли к своим идеям, перечислили все исследования, которые выполнили за последние три года. И самое главное — мы показали им предсказанную нами дифракционную картину для квазикристалла с симметрией икосаэдра. Все присутствующие сразу отметили, что она хорошо согласуется с экспериментальной дифракционной картиной для алюмомарганцевого сплава, описанного в препринте. Это была пьянящая, головокружительная и напряженная встреча.

Несколько недель спустя я сделал первый публичный доклад о квазикристаллической теории на площадке, которая имела для меня особое значение. Я выступал на специально организованном семинаре в лаборатории по исследованию строения вещества Пенсильванского университета. Лекционный зал был полон. Для меня это было своего рода возвращение домой, и наши результаты были приняты с большим воодушевлением. Я был безмерно признателен руководителям и сотрудникам лаборатории за то, что они неизменно оказывали нам моральную и финансовую поддержку на протяжении предшествующих трех лет, даже когда научная ценность идеи о квазикристаллах казалась довольно сомнительной.

Своим присутствием мой доклад почтил и Джон Кан, хотя для этого ему пришлось более двух часов ехать из Гейтерсберга в штате Мэриленд. Когда я закончил выступление, он еще раз оказал мне большую честь, поднявшись и публично похвалив нашу теорию. Джон заявил, что, на его взгляд, наша квазикристаллическая модель корректно объясняет новый материал, найденный их командой.

Когда статья была написана, а первый доклад — сделан, у меня наконец появилось время, чтобы поразмышлять о том, чего же мы только что достигли. Научная фантазия, которую я тайно вынашивал еще со школы и довольно безответственно высказал на университетской лекции, воплотилась в научную реальность. И тут меня оглушило, казалось бы, логичное продолжение этой новой реальности: если квазикристаллы — это новая фундаментальная форма вещества, реальное существование которой подтверждено лабораторно, то наверняка они должны существовать и в природе!

Возможно, они прячутся у нас под самым носом, думал я. Надо только понять, где их искать. Кто знает — вдруг квазикристаллы прямо сейчас демонстрируются в музеях, ошибочно обозначенные как кристаллы?

Эта мысль не давала мне покоя. На протяжении следующих нескольких месяцев я целенаправленно инспектировал коллекции минералов в нескольких музеях, включая Институт Франклина в Филадельфии, Американский музей естественной истории в Нью-Йорке и Смитсоновский национальный музей естественной истории в Вашингтоне. Я переходил от одной выставочной витрины к другой в поисках ошибочно идентифицированного квазикристалла. Это была такая нелепая надежда, что я даже не пытался поговорить с кем‑нибудь в этих музеях и в итоге ничего не нашел. Возможно, моя догадка о существовании природных квазикристаллов была не таким уж и озарением.

Статья группы Шехтмана с их экспериментальными результатами вышла в Physical Review Letters 12 ноября. Наше теоретическое объяснение их результатов появилось в том же журнале 24 декабря, в предпоследнем выпуске 1984 года.

Идеальное совпадение в идеальное время, радовался я. Эти две статьи снискали внимание и весьма позитивные отклики от ученых и журналистов по всему миру. Публикации о нашем открытии появлялись как в научных журналах, так и в широкой прессе, включая Physics Today, Nature, New Scientist и New York Times. Статья в New York Times, озаглавленная «Выдвинута теория о веществе нового типа», описывала, как мы «выдвинули гипотезу о новом квазикристаллическом состоянии вещества, которая, по‑видимому, объясняет озадачивающие результаты эксперимента, недавно проведенного в Национальном бюро стандартов».

С распространением по миру новости о нашем прорыве мы с Довом с удивлением стали узнавать об ученых в других частях света, которые работали над сходными идеями. Некоторые интересовались математикой пенроузовских замощений, другие — квазипериодичностью, третьи даже задумывались о веществах с икосаэдрической симметрией. В доинтернетовское время обмениваться информацией было намного труднее. Так что мы с Довом даже не догадывались об этих статьях, поскольку они не публиковались в широко известных физикам журналах. Но теперь многие из их авторов сами связывались с нами, и мы с жадностью поглощали все, что они писали.

Особенно впечатлила нас работа голландского математика Николаса де Брёйна, который написал в 1981 году серию замечательных статей о хитроумном «мультисеточном» методе генерации двумерных замощений Пенроуза без использования каких‑либо обычных правил совмещения или разделения. Мы с Довом для дальнейшего развития наших идей привлекли еще одного талантливого молодого аспиранта из Пенсильванского университета по имени Джошуа Соколар. Втроем мы смогли обобщить мультисеточный метод де Брёйна для порождения квазипериодических узоров с любыми симметриями и любым числом измерений, включая чисто математические конструкты, выходящие за пределы трехмерного пространства.