Читать онлайн Невозможность второго рода. Невероятные поиски новой формы вещества бесплатно

Глава 1

Невозможно!

Пасадена, Калифорния, 1985 год. Невозможно!

Это слово эхом отозвалось в большом лекционном зале. Я только что закончил описывать изобретенную совместно с моим аспирантом Довом Левином революционную концепцию нового типа вещества.

Лекционную аудиторию заполняли ученые всех специальностей, какие только были на кампусе Калтеха[1]. Дискуссия прошла совершенно замечательно. Но в тот самый момент, когда рассосались остатки толпы, послышался знакомый громкий голос, произнесший это самое слово: “Невозможно!”

Я бы и с закрытыми глазами узнал этого человека по характерному скрипучему голосу с отчетливым нью-йоркским акцентом. Передо мной стоял мой научный кумир, легендарный физик Ричард Фейнман с копной седеющих волос до плеч, в своей привычной белой футболке и с обезоруживающей дьявольской улыбкой.

Фейнман получил Нобелевскую премию за основополагающий вклад в создание первой квантовой теории электромагнетизма. В научном сообществе он уже считался одним из величайших физиков XX века. А для широкой публики он в итоге стал культовой фигурой благодаря ключевой роли, которую сыграл в установлении причины катастрофы космического челнока “Челленджер”, а также благодаря двум своим бестселлерам: “Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман!” и “Какое тебе дело до того, что думают другие?”.

У него было невероятно ироничное чувство юмора, и он был знаменит своими изощренными розыгрышами. Но, когда речь шла о науке, Фейнман всегда становился бескомпромиссно честным и непримиримо критичным, отчего его присутствие на научных семинарах особенно пугало. Всегда нужно было ожидать, что он перебьет докладчика и попросит перед всеми обосновать тот или иной момент, показавшийся ему неточным или сомнительным.

Конечно, я сразу заметил присутствие Фейнмана, когда он вошел в аудиторию перед самым моим докладом и занял свое обычное место в первом ряду. Краем глаза я продолжал внимательно следить за ним на протяжении всего своего выступления, готовый к любым неожиданностям. Однако он так и не прервал меня и не выступил с возражениями.

То, что он остался поспорить после доклада, вероятно, смутило бы многих ученых. Но это была не первая наша встреча. Мне посчастливилось тесно сотрудничать с Фейнманом, когда я был еще аспирантом в Калтехе где-то десятью годами ранее, я преклонялся перед этим человеком и испытывал по отношению к нему лишь искреннее восхищение. Фейнман изменил всю мою жизнь своими книгами, лекциями и личным наставничеством.

Поступая в Калтех в 1970 году, я планировал специализироваться в области биологии или математики. В старшей школе я не испытывал особого интереса к физике. Однако я знал, что каждый студент Калтеха обязан пройти двухгодичный курс по этому предмету.

Вскоре я выяснил, что начальный курс физики был чрезвычайно сложен во многом конкретно из-за учебника “Фейнмановские лекции по физике. Том 1”. Эта книга была не столько учебником, сколько сборником блестящих эссе, основанных на знаменитых лекциях, которые Фейнман читал первокурсникам в 1960-х годах.

В отличие от всех прочих учебников физики, которые мне попадались, “Фейнмановские лекции по физике” не задерживались на том, как решать ту или иную задачу, и это существенно осложняло попытки справиться с пугающими домашними заданиями и заставляло тратить на них массу времени. Однако эти эссе давали нечто намного более ценное – глубокое погружение в оригинальный фейнмановский стиль научного мышления. Не одно поколение выросло на “Фейнмановских лекциях”. Для меня этот опыт стал подлинным откровением.

Через несколько недель я почувствовал себя так, словно мне вскрыли череп и перепрошили мозг совершенно новым способом. Я начал думать, как физики, и мне это понравилось. Подобно многим другим ученым моего поколения, я с гордостью считаю Фейнмана своим героем. Я поспешил отказаться от своих первоначальных учебных планов относительно биологии и математики и рьяно набросился на физику.

Помню, за весь свой первый курс я лишь пару раз набирался храбрости поздороваться с Фейнманом перед семинаром. Нечто большее казалось в то время просто немыслимым. Однако на третьем курсе мы с соседом по общежитию каким-то образом решились постучаться к нему в кабинет и спросить, не согласится ли он вести неофициальный курс, встречаясь раз в неделю со студентами вроде нас и отвечая на любые вопросы. Все это будет совершенно неформально, добавили мы. Никаких домашних заданий, тестов, оценок и, конечно, никаких зачетных баллов. Мы знали, что он не переносит бюрократию, и надеялись, что отсутствие формальностей его привлечет.

Примерно десятью годами ранее Фейнман проводил подобные занятия, но исключительно для первокурсников и лишь в течение одной учебной четверти. Теперь мы просили его заняться тем же, но в течение всего года и с доступом для всех студентов, особенно третьего и четвертого курсов, таких, как мы, от которых можно было ожидать более сложных вопросов. Мы предложили назвать новый курс так же, как и прежний, – “Физика X”, чтобы дать всем понять, что он совершенно неофициальный.

Фейнман на мгновение задумался и, к большому нашему удивлению, согласился. В течение следующих двух лет мы вместе с моим соседом по комнате и десятками других счастливых студентов еженедельно зависали после обеда на незабываемых встречах с Диком Фейнманом.

Занятие всегда начиналось с того, что он входил в аудиторию и спрашивал, есть ли у кого-нибудь какие-то вопросы. Иногда кто-то интересовался темами, в которых Фейнман был экспертом. Естественно, его ответы на такие вопросы были блестящими. По его реакции на иные вопросы, однако, становилось ясно, что Фейнман никогда раньше над ними не задумывался. Именно эти моменты всегда казались мне особенно вдохновляющими, поскольку у меня была возможность наблюдать, как он подходит к новому вопросу и впервые пытается с ним совладать.

Я хорошо помню, как сам задал ему вопрос, который казался мне интересным, хотя я опасался, что он сочтет его тривиальным. “Какого цвета тень?” – хотел я узнать.

Походив с минуту взад-вперед по аудитории, Фейнман с удовольствием погрузился в тему. Он начал обсуждение с тонких градаций и вариаций теней, затем перешел к природе света, затем к восприятию цвета, затем к теням на Луне, земному свету на Луне, образованию Луны и так далее, и так далее, и так далее. Я слушал, затаив дыхание.

Когда я был на последнем курсе, Дик согласился быть научным руководителем ряда моих исследовательских проектов. Я получил возможность еще ближе наблюдать его подход к проблемам. Также я познакомился с его острым языком – Фейнман не лез за словом в карман, когда что-то не отвечало его высоким требованиям. Мои ошибки он называл “безумными”, “идиотскими”, “смехотворными” и “глупыми”.

Эти грубые слова тогда сильно задевали меня и заставляли задумываться, мое ли это дело – теоретическая физика. Однако я не мог не заметить, что сам Дик не воспринимал свои критические замечания так же серьезно, как я. Уже в следующую секунду он советовал мне попробовать другой подход и звал приходить снова, когда у меня что-то получится.

Одна из важнейших мыслей, которую я почерпнул у Фейнмана, состоит в том, что некоторые самые удивительные научные открытия можно совершить, следя за повседневными явлениями. Нужно всего лишь терпеливо наблюдать за происходящим и задавать себе правильные вопросы. Он также укрепил мою уверенность в том, что нет причин уступать внешнему давлению, толкающему к специализации лишь в одной области науки, что характерно для многих ученых. Фейнман собственным примером продемонстрировал мне, что можно исследовать самые разнообразные области, если туда ведет тебя любопытство.

Мне особенно запомнился один разговор, который состоялся у нас с ним во время моего последнего семестра в Калтехе. Я объяснял математическую схему, разработанную мной для предсказания поведения “суперболов” – сверхэластичных каучуковых мячиков, которые были тогда исключительно популярны.

Задача была непростая, поскольку “супербол” меняет направление при каждом отскоке. Я хотел добавить еще один уровень сложности, пытаясь предсказать, как “супербол” будет отскакивать от серии поверхностей, установленных под разными углами. Например, я рассчитал траекторию, по которой он сначала отскакивает от пола, далее ударяется о нижнюю сторону столешницы, затем отскакивает от наклонной плоскости и, наконец, от стены. Эти кажущиеся беспорядочными движения были полностью предсказуемы исходя из законов физики.

Я показал Фейнману один из моих расчетов. В нем был описан определенный бросок “супербола”, при котором после сложной серии отскоков он должен был вернуться обратно в мою руку. Фейнман пробежался глазами по листу с уравнениями, который я ему вручил.

– Это невозможно! – сказал он.

“Невозможно?” Я опешил от этого слова. В отличие от ожидаемых “безумно” или “глупо”, это было что-то новенькое.

– Почему вы думаете, что это невозможно? – спросил я, занервничав.

Фейнман указал на то, что ему не понравилось. Согласно моей формуле, если с высоты уронить определенным образом закрученный “супербол”, он должен отскочить вбок под небольшим углом к полу.

– Это же явно невозможно, Пол, – сказал он.

Я взглянул на свои уравнения, согласно которым мяч действительно должен был полететь после отскока очень полого. Однако я вовсе не считал, что это невозможно, хоть ситуация и противоречила интуиции.

У меня уже было достаточно опыта, чтобы возразить:

– Что ж, ладно. Я не пробовал поставить такой эксперимент прежде, давайте проведем его прямо здесь, в вашем кабинете.

Я достал из кармана “супербол”, и Фейнман стал наблюдать за тем, как я бросаю его с описанной закруткой. Естественно, шарик отскочил именно в том направлении, которое предсказывали мои уравнения, полетев в сторону под небольшим углом к полу, в точности таким образом, который Фейнман считал невозможным.

В ту же секунду он понял свою ошибку. Он не принял в расчет очень высокое сцепление “супербола” с поверхностью, сказывавшееся на том, как вращение влияет на траекторию мяча.

– Как же глупо! – громко воскликнул Фейнман с той же самой интонацией, с которой часто критиковал меня.

Так, спустя два года совместной работы, я наконец получил надежное подтверждение тому, о чем давно подозревал: слово “глупо” было просто выражением, которое Фейнман применял к любому, включая самого себя, в качестве способа привлечь внимание к ошибке, с тем чтобы никто и никогда ее больше не повторял.

Я также понял, что слово “невозможно” в лексиконе Фейнмана не всегда означало “неосуществимо” или “бессмысленно”. Иногда оно значило: “Ух ты, надо же! Это явно нечто удивительное, противоречащее естественным ожиданиям. Это заслуживает объяснения!”

Так что, когда спустя одиннадцать лет Фейнман подошел ко мне после моего доклада с игривой улыбкой и шутливо назвал мою теорию “невозможной”, я был вполне уверен, что понял его правильно. Темой моего доклада была совершенно новая форма вещества под названием “квазикристаллы”, противоречащая научным принципам, которые он считал верными. Вот почему это было интересно и заслуживало объяснения.

Фейнман подошел к столу, где я расположил все необходимое для проведения наглядного эксперимента, и потребовал: “Покажи еще раз!”

Я щелкнул переключателем, чтобы начать демонстрацию, и Фейнман застыл на месте. Собственными глазами он наблюдал явное нарушение одного из самых известных научных принципов, настолько основополагающего, что он описывал его в своих “Фейнмановских лекциях”. Фактически этот принцип изучался каждым молодым ученым на протяжении почти двух столетий, с тех пор как его по счастливой случайности открыл один неуклюжий французский священник.

Париж, Франция, 1781 год

Лицо Рене-Жюста Гаюи побледнело, когда небольшой образец исландского шпата выскользнул из его рук, упал на пол и разбился. Однако, когда он наклонился, чтобы собрать осколки, его замешательство неожиданно сменилось любопытством. Гаюи заметил, что сколы кусков, на которые разбился образец, оказались гладкими с ровными углами, а вовсе не шершавыми и беспорядочными, какими были внешние поверхности исходного образца. Он также обратил внимание, что грани небольших осколков встречаются под в точности одинаковыми углами.

Это, конечно, был не первый случай, когда кто-то разбивал камень. Но это был один из тех редких моментов в истории, когда наблюдение из повседневной жизни привело к научному прорыву, поскольку наблюдатель обладал чутьем и подготовкой, необходимыми, чтобы оценить значимость произошедшего.

Гаюи имел скромное происхождение – он родился во французской глубинке. Еще в детстве священники в местном монастыре отметили его острый ум и помогли ему получить высшее образование. В итоге Гаюи вошел в состав католического духовенства и получил должность преподавателя латыни в парижском колледже.

Лишь после начала своей теологической карьеры Гаюи обнаружил в себе страсть к естественным наукам. Поворотной точкой стало его знакомство с ботаникой, которому поспособствовал один из его коллег. Гаюи восхищался симметрией и отличительными признаками растений. Несмотря на их огромное разнообразие, растения можно было строго классифицировать по цвету, форме и текстуре. Вскоре тридцативосьмилетний священник стал экспертом в этой области и начал часто посещать королевские сады в Париже, чтобы потренироваться в своем искусстве определения растений.

Как раз во время одного из многочисленных визитов в те сады Гаюи довелось познакомиться с еще одной областью науки, которая и стала его подлинным призванием. Великий натуралист Луи Жан-Мари Добантон был приглашен прочесть публичную лекцию о минералах. Из его выступления Гаюи узнал, что минералы, подобно растениям, бывают самых разных цветов, форм и текстур. Однако в те времена исследование минералов считалось гораздо более примитивной дисциплиной, чем ботаника. Тогда еще не существовало ни научной классификации различных типов минералов, ни понимания того, как они могут быть связаны друг с другом.

Ученым было известно, что такие минералы, как кварц, соль, алмаз и золото, целиком состоят из одного чистого вещества. Если разбить их на кусочки, каждый обломок будет состоять из того же самого материала. Они также знали, что многие минералы образуют кристаллы с характерными гранями.

Однако, в отличие от растений, два минерала одного и того же типа могут сильно различаться по цвету, форме и текстуре. Все зависит от условий, в которых они формировались, и от того, что происходило с ними впоследствии. Другими словами, минералы, казалось, не укладывались в аккуратную и четкую классификацию, которая так нравилась Гаюи в ботанике.

Эта лекция побудила его связаться с одним своим знакомым – богатым финансистом Жаком де Франсом де Крессе – и попросить у него разрешения исследовать его частную коллекцию минералов. Гаюи искренне наслаждался этим визитом, до тех пор пока в один роковой момент не уронил тот самый образец исландского шпата.

Финансист не только любезно принял извинения Гаюи за нанесенный ущерб, но также заметил, что все внимание гостя приковано к осколкам, и великодушно предложил ему забрать некоторые из них домой для дальнейшего изучения.

Вернувшись к себе, Гаюи взял небольшой фрагмент неправильной формы и принялся тщательно зачищать его поверхности, откалывая кусочек за кусочком, пока не получились совершенно гладкие плоские грани. Он заметил, что грани образуют небольшой ромбоэдр – фигуру, представляющую собой куб, наклоненный под углом к основанию.

Затем Гаюи взял другой кусочек исландского шпата неправильной формы и повторил те же самые операции. И вновь получился ромбоэдр. На этот раз он был немного больше по размеру, но имел такие же углы, что и у первого образца. Гаюи многократно повторил этот эксперимент со всеми фрагментами, которые ему достались. Позднее он проделал то же самое со многими другими образцами исландского шпата, найденными в различных регионах мира. Каждый раз он получал неизменный результат: ромбоэдр с одними и теми же углами между гранями.

Простейшее объяснение, которое смог придумать Гаюи, заключалось в том, что исландский шпат состоит из базовых структурных блоков, имеющих по неизвестной причине форму ромбоэдра.

Затем Гаюи расширил свои эксперименты, включив в них другие типы минералов. В каждом случае он обнаруживал, что минерал можно огранить и в итоге свести к строительным блокам строго определенной геометрической формы. Иногда это был такой же ромбоэдр, как в случае с исландским шпатом. Иногда – ромбоэдр с другими углами между гранями. Иногда получалась совсем иная форма. Гаюи поделился своими открытиями с французскими натуралистами и получил широкое признание научного сообщества, что позволило ему методично продолжать свои исследования минералов в течение следующих двух десятилетий, включая период Французской революции.

Наконец в 1801 году Гаюи опубликовал свой шедевр – “Трактат о минералогии”. Это был превосходно иллюстрированный атлас, вобравший в себя результаты всех его исследований и описывающий “законы кристаллических форм”, открытые им в процессе сбора данных.

Книга была просто потрясающей. Она принесла Гаюи научную должность, восхищение коллег и место в истории в качестве “отца современной кристаллографии”. Густав Эйфель посчитал научный вклад Гаюи настолько значительным, что включил его в список семидесяти двух французских ученых, инженеров и математиков, чьи имена выгравированы на первом этаже Эйфелевой башни.

Одним из важнейших результатов работы Гаюи стало понимание того, что минералы состоят из неких первичных строительных блоков, которые он называл la molécule intégrante[2], раз за разом повторяющихся в веществе. Минералы одного типа состоят из одинаковых строительных блоков, независимо от того, где в мире они образовались.

Несколько лет спустя открытие Гаюи поспособствовало формулированию еще более смелой идеи. Британский ученый Джон Дальтон предположил, что вся материя, а не только минералы состоит из неделимых и неразрушимых единиц, называемых атомами. Согласно этой идее, первичные строительные блоки Гаюи соответствуют группам из одного или нескольких атомов, тип и пространственное расположение которых определяет тип минерала.

Авторами концепции атомов часто считают древнегреческих философов Левкиппа и Демокрита, живших в V веке до нашей эры. Однако их идеи были сугубо философскими. Именно Дальтон превратил атомистическую гипотезу в проверяемую научную теорию.

На основе своего опыта изучения газов Дальтон пришел к выводу о том, что атомы имеют сферическую форму. Он также предположил, что разные типы атомов имеют разные размеры. Атомы слишком малы, чтобы увидеть их при огранке минералов, как и с использованием любых других технологий, существовавших в XIX веке. Понадобилось более столетия ожесточенных дебатов, а также разработка новых технологий и нового типа экспериментов, чтобы атомистическая гипотеза была окончательно признана.

И все же одного из самых важных открытий Гаюи не могли объяснить ни он сам, ни Дальтон, несмотря на все их достижения. Независимо от изучаемого минерала первичные строительные блоки, la molécule intégrante, оказывались всегда либо тетраэдрами, либо треугольными призмами, либо параллелепипедами – более широкой категорией фигур, включающей в себя и ромбоэдр, обнаруженный Гаюи в самом начале. Чем объяснить подобную закономерность?

Поиски ответа на этот вопрос, продолжавшиеся много десятилетий, в конце концов привели к созданию новой важнейшей научной области, известной как кристаллография. Основанная на строгих математических принципах, кристаллография в итоге оказала огромное влияние на другие научные дисциплины, включая физику, химию, биологию и инженерию.

Законы кристаллографии оказались в силах объяснить все известные в то время формы вещества и предсказать множество их физических свойств, таких как твердость, поведение при нагревании и охлаждении, электропроводность и упругость. Успех кристаллографии в объяснении такого множества различных свойств вещества, относящихся к такому большому числу разных дисциплин, долгое время считался одним из величайших научных триумфов XIX века.

И все же в начале 1980-х годов именно эти знаменитые законы кристаллографии мы с моим студентом Довом Левином поставили под сомнение. Мы придумали, как сконструировать новые строительные блоки, которые можно складывать друг с другом таким способом, какой прежде считался невозможным. И именно наше открытие чего-то нового относительно того, что считалось хорошо известным фундаментальным научным принципом, и привлекло внимание Фейнмана во время моего доклада.

Чтобы дать возможность сполна оценить степень его удивления, я приведу краткое описание трех простых принципов, на которых зиждется кристаллография.

Первый принцип состоит в том, что все чистые вещества, такие как минералы, образуют кристаллы, если у атомов и молекул достаточно времени, чтобы выстроиться упорядоченно.

Второй принцип утверждает, что все кристаллы – это периодически повторяющиеся конфигурации атомов, то есть внутри они целиком состоят из одинаковых элементарных строительных блоков Гаюи: одна группа атомов периодически повторяется в каждом направлении с равными интервалами.

Третий принцип гласит, что любую периодическую конфигурацию атомов можно классифицировать в соответствии с ее симметриями и существует лишь конечное число возможных симметрий.

Последний из этих трех принципов наименее очевиден, но его легко проиллюстрировать на примере обычной плитки для пола. Представьте, что вы хотите покрыть пол периодически расположенными плитками одинаковой формы, как показано на следующей странице. Математики называют получающиеся узоры периодическими замощениями. Плитки здесь – это двумерные аналоги трехмерных элементарных строительных блоков Гаюи, поскольку весь узор складывается из повторяющихся элементов одного и того же вида. Периодические замощения постоянно встречаются у нас на кухнях и террасах, в прихожих и ванных. И эти узоры часто содержат следующие основные фигуры: прямоугольники, параллелограммы, треугольники, квадраты и шестиугольники.

А какие еще возможны простые формы? Задумайтесь над этим. Какие еще элементарные формы плитки вы могли бы использовать у себя на полу? Сгодятся ли, например, правильные пятиугольники – фигуры, имеющие пять сторон равной длины с равными углами между ними?

Вероятно, вы будете удивлены. Согласно третьему принципу кристаллографии, ответ будет отрицательным. Категорически отрицательным. Пятиугольник не годится. И вообще ни одна другая форма не подойдет. Любой двумерный периодический узор соответствует одному из пяти перечисленных выше.

Вам может встретиться замощенный плиткой пол, который покажется исключением из этого правила. Но это лишь уловка. Если вы присмотритесь внимательнее, в замощении всегда оказывается спрятан один из тех самых пяти узоров. Например, можно создать более сложно выглядящий узор, заменив все прямые линии одинаковыми кривыми. Также можно разделить все плитки (например, квадратные – по диагонали), а затем вернуть их обратно в замощение, чтобы получилась другая геометрическая форма. А можно выбрать картинку или узор и вставить его в центр каждой плитки. Однако, с точки зрения кристаллографа, все это не изменит того факта, что общая структура отвечает одному из пяти перечисленных выше вариантов. Других фундаментальных узоров не существует.

Если вы попросите своего подрядчика покрыть пол в душевой правильными пятиугольниками, то на деле вы получите большие проблемы с гидроизоляцией. Как бы ни старался плиточник подогнать пятиугольники друг к другу, между ними все равно будут оставаться щели (см. рисунок ниже). Много щелей! То же самое будет, если вы попытаетесь использовать правильные семиугольники, восьмиугольники или девятиугольники. Этот список запрещенных форм можно продолжать бесконечно.

Пять периодических узоров – это ключ к пониманию фундаментальной структуры вещества. Ученые также классифицируют их исходя из “вращательной симметрии” – весьма сложно звучащее понятие, описывающее достаточно очевидную идею. Вращательная симметрия определяется тем, сколько раз в процессе поворота объекта на 360° он совпадает со своим видом в исходном положении.

Рассмотрим, например, узор замощения квадратными плитками на левом рисунке со следующей страницы. Допустим, вы закрыли глаза, а ваш друг тем временем повернул это квадратное замощение на 45°, как показано на среднем рисунке. Когда вы взглянете на него снова, то сразу заметите, что оно выглядит не так, как первоначально, а ориентировано в другом направлении. Так что этот поворот на 45° не считается “симметрией” квадрата.

Однако, если при новой попытке ваш друг повернет замощение на 90° (правый рисунок), вы не сможете заметить никаких изменений. Плитки будут выглядеть в точности так же, как и первоначально. Этот поворот на 90° рассматривается как вращательная “симметрия”. На самом деле 90° – это минимальный угол поворота, являющийся симметрией для узора из квадратов. Любой поворот квадрата менее чем на 90° меняет его видимую ориентацию.

Очевидно также, что два поворота на 90°, то есть в сумме на 180°, тоже будут симметрией. Это верно и для трех (270°), и для четырех (360°) таких поворотов. Поскольку требуется четыре таких поворота для совершения полного оборота (360°), о квадратном замощении говорят, что оно обладает симметрией четвертого порядка.

Давайте теперь предложим вашему другу замощение, состоящее из одинаковых рядов прямоугольников, ориентированных длинной стороной горизонтально. При повороте на 90° такое замощение будет выглядеть иначе, поскольку длинные стороны окажутся ориентированы вертикально. Однако поворот на 180° сделает его неотличимым от первоначального. Поэтому в случае прямоугольников 180° – это наименьший поворот, который является симметрией. Два таких поворота дают 360°. Так что замощение из прямоугольников обладает симметрией второго порядка.

Аналогично для параллелограммов единственный поворот, который оставляет замощение без изменений, – 180°. Поэтому замощение параллелограммами также имеет вращательную симметрию второго порядка.

Применив этот же подход к равносторонним треугольникам, мы обнаружим симметрию третьего порядка. А в случае шестиугольников – шестого.

Наконец, существует еще одна возможная вращательная симметрия, которую можно получить на основе каждого из пяти шаблонов. Например, если краям любой из используемых фигур придать неправильную форму, то единственным поворотом, оставляющим узор неизменным, будет полный оборот на 360° – или симметрия первого порядка.

И на этом список возможностей заканчивается. Симметрии первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядка исчерпывают список симметрий, возможных для двумерных периодических замощений, – этот факт известен человечеству уже не одно тысячелетие. Древнеегипетские мастера, например, использовали вращательные симметрии для создания прекрасных мозаик. Однако лишь в XIX веке эти выработанные методом проб и ошибок приемы были в полной мере объяснены строгой математикой.

Вернемся, однако, к плиточному полу в нашей душевой. Тот факт, что ваш подрядчик не может сделать периодическое замощение с помощью одних только правильных пятиугольных плиток, не оставляя больших щелей, нарушающих гидроизоляцию, служит наглядной демонстрацией того, что симметрия пятого порядка невозможна согласно законам кристаллографии. Но это не единственная запрещенная симметрия. То же относится к симметриям седьмого, восьмого и любого другого более высокого порядка.

Не забывайте, что, согласно открытию Гаюи, кристаллы периодичны, подобно плитке на вашем полу с регулярно повторяющимся рисунком. Соответственно, те же ограничения, что применимы к замощениям, будут применимы и к трехмерным кристаллам. Лишь некоторые формы могут соединяться друг с другом, не оставляя зазоров.

Однако, несмотря на это сходство, трехмерные кристаллы намного сложнее плитки для пола, поскольку они могут иметь различные вращательные симметрии вдоль разных лучей зрения. Симметрии меняются в зависимости от точки, с которой наблюдается объект. Однако вне зависимости от направления взгляда для регулярно повторяющихся трехмерных структур и периодических кристаллов возможны только симметрии первого, второго, третьего, четвертого и шестого порядка – те же, что и для двумерных плиток. И с какой бы стороны вы ни смотрели на объект, вращательная симметрия пятого порядка всегда запрещена, так же как симметрии седьмого, восьмого и любого более высокого порядка.

Сколько различных сочетаний симметрий, наблюдаемых с разных направлений, может встретиться в периодических кристаллах? Поиск ответа на этот вопрос был серьезным испытанием для математической мысли.

Эта задача была окончательно решена в 1848 году французским физиком Огюстом Браве, который показал, что существует ровно 14 таких комбинаций. Сегодня они известны как “решетки Браве”.

Однако проблема понимания кристаллических симметрий этим не исчерпывалась. Позднее была разработана более полная математическая классификация, совмещающая вращательные симметрии с еще более сложными симметриями – “зеркальными”, “центральными” и “скользящими”. При объединении всех этих дополнительных вариантов общее число допустимых симметрий возрастает с 14 до 230. Однако даже при таком многообразии симметрия пятого порядка остается запрещенной для любых направлений.

В этих открытиях красота математики самым удивительным образом совмещается с красотой природного мира. Все эти 230 возможных трехмерных схем кристаллов[3] были найдены при помощи чистой математики. И каждый из этих рисунков был обнаружен в природе при раскалывании минералов.

Замечательное соответствие абстрактных, математических схем кристаллов и реальных, найденных в природе образцов было косвенным, но убедительным свидетельством в пользу того, что вещество состоит из атомов. Но как именно расположены эти атомы? Раскалывание кристаллов позволяет выяснить форму их строительных блоков, но этот метод слишком груб для определения того, как внутри них расположены атомы.

Точный инструмент, позволяющий получить эту информацию, был изобретен в 1912 году немецким физиком Максом фон Лауэ в Мюнхенском университете. Он обнаружил, что можно точно определить скрытую симметрию вещества, просто облучая небольшой образец рентгеновским пучком.

Рентгеновские лучи – это разновидность световых волн, длина которых настолько мала, что они легко проходят по каналам пустого пространства между регулярно расположенными рядами атомов в кристаллах. Когда рентгеновские лучи, прошедшие сквозь кристалл, попадают затем на фотобумагу, они, как показал фон Лауэ, интерферируют друг с другом, порождая характерный узор из четко очерченных точек, известный как рентгеновская дифракционная картина.

Когда рентгеновские лучи проходят по кристаллу вдоль оси его вращательной симметрии, получающийся узор из точек дифракционной картины обладает в точности такой же симметрией. Просвечивая кристалл рентгеновскими лучами с разных направлений, можно выявить весь набор симметрий его атомной структуры. А уже исходя из этих данных можно затем определить решетку Браве для кристалла и форму его строительных блоков.

Вскоре после открытия фон Лауэ еще один прорыв в этой области совершили британские физики Уильям Генри Брэгг и его сын Уильям Лоуренс Брэгг. Тщательно управляя длиной волны и направлением рентгеновских лучей, они показали, что по состоящей из точек дифракционной картине можно определить не только симметрию, но и конкретное расположение атомов внутри кристалла. Точки на этой дифракционной картине стали называть “брэгговскими пиками”.

Эти два прорывных метода сразу стали незаменимыми в исследованиях вещества. В последующие десятилетия по всему миру были получены десятки тысяч дифракционных картин различных природных и синтетических материалов. Позднее ученые стали получать еще более точную информацию, заменяя рентгеновские лучи электронами, нейтронами или высокоэнергичным излучением, которое порождается, когда пучок заряженных частиц, движущихся с релятивистскими скоростями, поворачивает под действием магнитов в синхротроне – мощном ускорителе элементарных частиц. Однако независимо от используемого метода исходные правила симметрии, выведенные в работах Гаюи и Браве, оставались непогрешимыми.

Эти правила, основанные на сочетании математических рассуждений и собранных экспериментальных результатов, надежно закрепились в сознании ученых. Тот факт, что вещество может обладать только рядом определенных, давно описанных симметрий, казался настолько надежно установленным, насколько вообще может быть надежен научный принцип.

Пасадена, 1985 год

И вот он я – стою перед Ричардом Фейнманом и объясняю ему, что эти давно установленные правила ошибочны.

Кристаллы оказались не единственной возможной формой вещества с упорядоченно расположенными атомами и точечными дифракционными картинами. Перед нами открывался целый новый мир возможностей со своими собственными правилами. Мир квазикристаллов.

Это название было выбрано нами, чтобы подчеркнуть принципиальное отличие этих материалов от обычных кристаллов. И те и другие состоят из групп атомов, которые повторяются по всему объему.

Группы атомов в кристаллах повторяются с регулярными интервалами, как в пяти рассмотренных выше схемах. В квазикристаллах, однако, разные группы повторяются с разными интервалами. Источником нашего вдохновения стал двумерный узор, известный как мозаика Пенроуза, представляющий собой необычное замощение из двух разных типов плиток, которые повторяются с двумя несоизмеримыми[4] интервалами. Математики называют такие замощения квазипериодическими. Поэтому мы назвали наше теоретическое открытие квазипериодическими кристаллами, или сокращенно квазикристаллами.

В небольшой демонстрации, с помощью которой я собирался доказать Фейнману свою правоту, использовались лазер и слайд с фотографией квазипериодического узора. По просьбе Фейнмана я включил лазер и направил луч так, чтобы, пройдя через слайд, он попадал на дальнюю стену. Лазерный свет произвел тот же эффект, что и рентгеновские лучи, проходящие по каналам между атомами: он породил дифракционную картину, подобную той, что представлена на фото ниже.

Я выключил свет в аудитории, чтобы Фейнман мог хорошенько разглядеть на стене характерный узор из точек, похожий на снежинку. Он был не похож ни на одну дифракционную картину из тех, что ему доводилось видеть прежде.

Как и во время доклада, я указал ему на концентрические кольца, образованные самыми яркими пятнами – по десять штук в каждом. Это было неслыханно. Видны были также группы точек, образующие пятиугольники, соответствующие симметрии, которая считалась абсолютно запрещенной в природе. Приглядевшись, между этими точками можно было увидеть и другие, между которыми были еще точки, а между теми – еще.

Фейнман попросил слайд, чтобы рассмотреть его внимательнее. Я включил свет, вынул слайд из держателя и вручил ему. Изображение на слайде было настолько мелким, что рассмотреть детали было тяжело, поэтому я также дал ему увеличенный рисунок замощения, который он положил на стол перед лазером.

На несколько долгих секунд воцарилась тишина. Я вновь почувствовал себя студентом, ожидающим реакции Фейнмана на свою последнюю абсурдную идею. Рассмотрев увеличенное изображение на столе, он снова вставил слайд в держатель и сам включил лазер. Его взгляд метался между увеличенным отпечатком на столе и лазерным узором на стене.

“Невозможно!” – в конце концов сказал Фейнман. Я согласно кивнул и улыбнулся, принимая это как самый высокий из его комплиментов.

Он еще раз взглянул на стену и покачал головой: “Абсолютно невозможно! Одна из самых поразительных вещей, что я когда-либо видел”.

Не добавив больше ни слова, Дик Фейнман, буквально сияя от восторга, одарил меня широченной озорной улыбкой.

Глава 2

Пазл Пенроуза

Филадельфия, штат Пенсильвания, октябрь 1981 года

За четыре года до этой моей встречи с Фейнманом никто еще не слыхал о квазикристаллах. Включая и меня.

Я тогда едва приступил к работе на физическом факультете Пенсильванского университета, и меня пригласили провести коллоквиум по физике – еженедельную общефакультетскую лекцию. В Пенн[5] меня взяли благодаря исследованиям, которыми я занимался в Гарварде. Они относились к физике элементарных частиц и были направлены на понимание фундаментальных составляющих материи и сил, посредством которых они взаимодействуют. Особенно всех заинтересовали мои самые свежие на тот момент наработки. Мы с моим первым аспирантом Энди Олбрехтом тогда работали не покладая рук над развитием инновационных концепций зарождения Вселенной, которые в конечном итоге помогли заложить основы того, что сегодня называется инфляционной моделью Вселенной.

Однако я решил рассказать не об этом, а выбрал для лекции проект, о моей работе над которым почти никому не было известно и значимость которого была еще неочевидна. Я не ожидал, что эта лекция произведет сильное впечатление на одного молодого аспиранта, сидевшего в аудитории, и что вскоре это приведет к плодотворному сотрудничеству и открытию новой формы вещества.

Бо́льшую часть времени я потратил на описание проекта, которым уже полтора года занимался с Дэвидом Нельсоном, физиком-теоретиком из Гарварда, и Марко Рончетти, постдоком, работавшим в Исследовательском центре IBM имени Томаса Дж. Уотсона в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк.

Мы занимались изучением того, как меняют свой порядок атомы жидкости, когда та резко охлаждается и затвердевает. Ученым было хорошо известно, что при медленном замораживании атомы стремятся перейти из характерного для жидкости беспорядочного расположения в упорядоченную периодическую структуру кристалла (как при превращении воды в лед).

В простейшем случае, когда все атомы одинаковы и взаимодействуют посредством простых межатомных сил, в упорядоченном состоянии они складываются друг на друга, как апельсины на прилавке магазина. Эта структура, носящая в науке название гранецентрированной кубической решетки, обладает той же симметрией, что и куб, подчиняясь всем известным законам кристаллографии.

Мы же втроем пытались понять, что произойдет, если охладить жидкость так быстро, что она затвердеет прежде, чем атомы успеют выстроиться в идеальный кристалл. Из общенаучных соображений в то время предполагалось, что расположение атомов в этом случае будет напоминать стоп-кадр жидкого состояния. Другими словами, оно будет совершенно случайным, без какого-либо видимого порядка.

Дэвид Нельсон и один из его студентов, Джон Тонер, выдвинули более интересное предположение. Они считали, что быстрое затвердевание может породить смесь случайности и порядка. По их мнению, несмотря на хаотичность расположения атомов в пространстве, связи между ними могут в среднем выравняться вдоль ребер куба. Тогда расположение атомов окажется в некоем среднем состоянии между порядком и хаосом. Нельсон с Тонером назвали эту фазу “кубатической”.

Чтобы оценить научную значимость этой идеи, надо обладать некоторыми базовыми знаниями. Физические свойства вещества и возможные способы его использования очень сильно зависят от конфигурации его атомов и молекул. Рассмотрим, например, кристаллы графита и алмаза. Основываясь на их физических свойствах, трудно даже представить себе, что у них есть хоть что-то общее. Графит мягкий, скользкий и мутный с темно-металлическим отливом. Алмаз же исключительно твердый, прозрачный и блестящий. Однако оба они состоят из одного и того же типа атомов – из ста процентов углерода. Единственное различие между этими двумя материалами – в порядке расположения атомов углерода, как показано на рисунке ниже.

В алмазе каждый атом углерода соединен с четырьмя другими атомами в трехмерную сеть. В графите же каждый атом углерода связан только с тремя другими атомами в пределах двумерного листа. Эти углеродные слои как бы сложены в стопку один к другому, подобно листам бумаги.

Алмазная сеть крайне прочна, ее трудно разрушить. Напротив, листы углерода легко соскальзывают друг с друга, опять же как листы бумаги. Это и есть основная причина того, почему алмаз настолько тверже графита. И это различие самым непосредственным образом отражается на их практическом использовании. Алмаз, будучи одним из самых твердых известных материалов, используется в буровых головках. Графит же настолько мягок, что его используют в карандашах. Листы углерода отслаиваются при перемещении кончика карандаша по странице.

Этот пример демонстрирует, как знание о симметрии расположения атомов того или иного вещества позволяет понимать и предсказывать его свойства и находить для него наиболее эффективные способы применения. То же относится и к материалам, полученным при быстром охлаждении, которые ученые называют стеклянными, или аморфными. Они существенно отличаются от медленно охлажденных кристаллов по своим электрическим, тепловым, упругим и вибрационным свойствам. Медленно охлажденный кристаллический кремний, например, широко используется в электронной промышленности. А аморфный кремний, не такой твердый, как медленно охлажденный, предпочтителен для использования в некоторых типах солнечных батарей.

Вопрос, который мы с Нельсоном и Рончетти хотели исследовать, состоял в том, имеют ли некоторые твердые материалы, полученные быстрым охлаждением, определенную упорядоченность, которой прежде никто не замечал и которая могла бы дать дополнительные преимущества в прикладных задачах.

К тому моменту я уже несколько лет занимался разработкой способов моделирования быстрого охлаждения жидкостей. Меня приглашали на лето – сначала как аспиранта, а затем как постдока – работать над теоретическими компьютерными моделями в Йельском университете и в Исследовательском центре IBM имени Томаса Дж. Уотсона. Мои основные научные интересы в то время лежали в другой области. Однако я пользовался этими исследовательскими возможностями, поскольку был заинтригован тем фактом, что науке все еще было неизвестно расположение атомов в такой примитивной среде, как аморфное вещество. Тут я вполне сознательно следовал одному из самых важных уроков, полученных от моего наставника Ричарда Фейнмана: доверяй своему чутью и ищи достойные задачи, куда бы они тебя ни вели, даже если новое направление не будет совпадать с тем, в котором ты прежде предполагал двигаться.

Летом 1973-го, перед моим завершающим годом учебы в Калтехе, я разработал первую модель стекла и аморфного кремния для генерируемой компьютером непрерывной случайной сети (НСС-модель). Эта модель широко использовалась для предсказания структурных и электронных свойств этих веществ. В последующие годы работы с Рончетти я разработал и более сложные программы для моделирования процесса быстрого остывания и затвердевания.

В 1980 году случайный разговор в Гарварде с Дэвидом Нельсоном дал новую цель всем моим трудам по теме аморфных материалов. Мои компьютерные модели можно было адаптировать для проверки гипотезы Нельсона и Тонера о кубатическом веществе.

Дав своей аудитории в Пенне краткое введение в историю вопроса, я перешел к кульминации своей лекции. Если предположение о кубатической фазе верно, то атомные связи в моей новой компьютерной модели не должны оказаться расположенными случайным образом. В среднем они должны тяготеть к “кубической ориентации”, то есть стремиться к выравниванию вдоль ребер куба.

Мы разработали сложный математический тест для эксперимента, призванного проверить, демонстрирует ли усредненная ориентация связей ожидаемую кубическую симметрию, и вывели количественный параметр, характеризующий, насколько сильно проявляется это кубическое выравнивание.

Результат оказался… абсолютно провальным. Мы не нашли никаких признаков преимущественного выравнивания связей вдоль ребер куба, предсказанного Нельсоном и Тонером.

Однако совершенно случайно мы открыли нечто даже более интересное. Разрабатывая количественный математический тест для проверки ориентации атомных связей в соответствии с кубической симметрией, мы поняли, что будет несложно адаптировать этот тест к поиску любых других возможных вращательных симметрий. Поэтому вдобавок мы использовали тест для количественной оценки каждой симметрии по степени выравнивания атомных связей вдоль различных направлений.

К нашему огромному удивлению, именно запрещенная симметрия получила гораздо более высокую оценку, чем все остальные, – та самая невозможная симметрия икосаэдра, фигуры, изображенной ниже слева.

Я знал, что некоторые слушатели в аудитории уже должны быть знакомы с икосаэдром, поскольку эта трехмерная фигура использовалась в качестве игральной кости (см. фото внизу справа) в популярной игре Dungeons & Dragons (“Подземелья и драконы”). Другие могли знать про него из курса биологии, поскольку такой формой обладают некоторые вирусы человека. А слушатели, имевшие склонность к геометрии, должны были распознать в нем одно из пяти платоновых тел – трехмерных фигур с одинаковыми гранями, ребрами одинаковой длины и одинаковыми углами.

Важная особенность икосаэдра состоит в том, что, осматривая его со стороны любой из вершин, мы наблюдаем пятиугольную форму с симметрией пятого порядка. Ту самую симметрию пятого порядка, запрещенную для двумерных замощений и трехмерных кристаллов.

Разумеется, нет ничего невозможного в использовании одной плитки в форме правильного пятиугольника. Одиночную плитку можно взять любой формы. Однако невозможно покрыть пол одними лишь правильными пятиугольниками, не оставляя зазоров. То же относится и к икосаэдру. Можно сделать отдельную трехмерную игральную кость в форме икосаэдра. Но вот заполнить пространство икосаэдрами так, чтобы между ними не осталось пустот и отверстий, уже не получится, как показано на фото выше.

При таком числе вершин, каждая из которых обладает запрещенной симметрией пятого порядка, икосаэдр был прекрасно известен исследователям, изучавшим строение вещества, в качестве самой запретной симметрии в расположении атомов. Этот факт считался настолько фундаментальным, что часто излагался в первой главе учебников. И все же икосаэдрическая симметрия каким-то образом получила самую высокую оценку по выравниванию атомных связей в нашем компьютерном эксперименте.

Строго говоря, наши результаты прямо не противоречили законам кристаллографии. Эти правила применимы только к макроскопическим фрагментам вещества, содержащим десятки тысяч атомов и более. Для намного меньших групп атомов, как те, что изучались в нашей модели, такого категорического запрета не существовало.

В предельном случае маленького кластера, содержащего, например, лишь тринадцать одинаковых атомов золота, межатомные силы естественным образом приводят атомы к икосаэдрическому расположению. Один атом оказывается в центре, а двенадцать окружающих его атомов размещаются на вершинах икосаэдра. Так происходит потому, что межатомные силы работают сродни пружинам и стремятся расположить атомы в форме плотно упакованной симметричной фигуры. Тринадцать атомов образуют икосаэдр потому, что в данном случае он является самой симметричной из всех достижимых плотно упакованных конфигураций. Однако с добавлением все новых и новых атомов икосаэдрическая симметрия становится все менее предпочтительной. Как видно на фото с игральными костями для Dungeons & Dragons, икосаэдры не могут плотно прилегать друг к другу – грань к грани, ребро к ребру или каким-либо иным образом, – не оставляя больших зазоров.

Самым удивительным в наших расчетах было то, что икосаэдрическая симметрия в ориентации связей сохранялась почти по всей модели, включавшей тысячи атомов. Если бы в то время вы провели опрос, большинство экспертов сказало бы, что икосаэдрическая симметрия не может распространяться более чем на полсотни атомов. Однако наша модель показывала, что значительная степень икосаэдрической симметрии в ориентации связей сохраняется даже при усреднении показателей по значительному числу атомов. Законы кристаллографии, однако, утверждают, что икосаэдрическая симметрия не может продолжаться бесконечно. И естественно, когда мы продолжили усреднение, добавляя в модель все больше и больше атомов, коэффициент этой симметрии начал постепенно снижаться и в конце концов достиг уровня, не имеющего статистической значимости. Но даже если так, открытие высокой степени ориентированности связей вдоль ребер икосаэдра для групп из тысяч атомов было поистине знаменательным.

Я напомнил аудитории, что икосаэдрический порядок спонтанно появлялся в симуляции, содержащей только один тип атомов. Большинство же материалов содержит комбинации различных элементов, с атомами разных размеров и разными силами связей. Я предположил, что увеличение числа различных элементов может облегчить нарушение известных законов кристаллографии, позволяя икосаэдрической симметрии сохраняться в модели при все большем числе атомов.

Не исключено, что существуют даже такие гипотетические условия, при которых эта симметрия будет продолжаться неограниченно, допустил я. Это стало бы настоящей революцией, прямым нарушением законов Гаюи и Браве, установленных более столетия назад. В тот раз я впервые публично высказал настолько невозможную идею и закончил свою лекцию на этой дерзкой ноте.

Мне оживленно аплодировали. Несколько профессоров задали мне уточняющие вопросы, а по завершении я получил множество замечательных комплиментов. Однако никто так и не прокомментировал мою дикую идею о нарушении законов кристаллографии. Возможно, ее приняли за чисто риторический прием.

Впрочем, в аудитории все же был один человек, который воспринял мои слова всерьез. И он оказался готов поставить на эту идею все свое будущее. На следующий день после моего доклада двадцатичетырехлетний физик-аспирант по имени Дов Левин объявился у меня в кабинете и спросил, не соглашусь ли я быть его новым научным руководителем. Дов был чрезвычайно заинтересован в работе со мной над этой безумной концепцией, которую я выдвинул в конце лекции.

Моя первая реакция была не слишком вдохновляющей. Это дурацкая затея, сказал я ему. Я бы никогда не поставил такого рода задачу перед аспирантом, предупредил я. Не уверен даже, что предложил бы ее внештатному профессору вроде меня самого. У меня имелось лишь смутное представление о том, с чего стоило начать, а шансы на успех были до смешного малы. Я все продолжал и продолжал сыпать подобными неутешительными замечаниями, но, казалось, ничего из сказанного мною его вовсе не смутило. Дов особо подчеркнул, что хотел бы заняться этой темой вне зависимости от шансов на успех.

Когда я попросил Дова подробнее рассказать о себе, он начал с того, что родился и вырос в Нью-Йорке. Это мне и так было уже очевидно по его быстрой манере речи, порывистости и специфическому чувству юмора. Дов не мог и трех фраз сказать без шутки или грубоватого замечания, всегда в сочетании с фирменной озорной ухмылкой.

Я старался не показывать, о чем на самом деле думал, слушая рассуждения Дова о том, почему мы должны заняться моей безумной идеей. Но про себя отметил, что выглядел он как человек весьма упрямый – не из тех, кого легко отговорить. Как раз тот настрой, подумал я, что нужен человеку, берущемуся за крайне рискованную задачу. Хорошее чувство юмора тоже пригодится, поскольку нам наверняка предстоит столкнуться с немалыми трудностями.

Было и еще кое-что, что заставило меня пойти навстречу Дову, – мечта, которая не отпускала меня с тех пор, как в возрасте тринадцати лет я прочел роман Курта Воннегута “Колыбель для кошки”. Эта книга о потенциальном злоупотреблении наукой была, безусловно, странным источником вдохновения для подающего надежды ученого.

В романе Воннегут вообразил новую форму замороженной воды, названную “лед-девять”. Вступая в контакт с обычной водой, кристаллический зародыш льда-девять заставляет все молекулы H₂O перестроиться и сформировать твердую фазу. Один-единственный брошенный в океан зародышевый кристалл способен запустить цепную реакцию, в результате которой затвердеет вся вода на планете.

Лед-девять был, конечно, фантастической выдумкой. Однако роман привлек мое внимание к научному факту, о котором я прежде не задумывался, а именно к тому, что свойства вещества можно радикально изменить простым переупорядочиванием его атомов.

Возможно – лишь возможно, – думал я, есть другие формы вещества, для которых определенные варианты компоновки атомов еще не описаны учеными. И может быть, фантазировал я, они даже никогда не возникали на нашей планете.

Сам того не зная, Дов подарил мне возможность заняться моей давней научной фантазией. Я согласился взять его под свое руководство на испытательный срок. Мы оба понимали, что, если не достигнем прогресса в течение шести месяцев, ему придется искать другую тему и другого научного руководителя.

Мы начали с попытки определить наибольшее число атомов, которое можно плотно разместить, соблюдая икосаэдрическую симметрию. Для визуализации наших с Довом построений требовалось сконструировать некую осязаемую модель (см. фото справа). И тут мы столкнулись с первой проблемой. Химики конструируют такие модели, используя имеющиеся в продаже наборы из пластиковых шариков и стержней. Те прекрасно подходят для подобных задач, покуда речь идет об изучении обычных кристаллических конфигураций.

Мы же с Довом занимались чем-то совершенно иным. Нам нужны были детали, позволяющие делать связи с углами и длинами, соответствующими симметрии икосаэдра. Поскольку эта симметрия была невозможна для кристаллов, в химических наборах не было нужных деталей. Все, включая изготовителей таких конструкторов, знали, что симметрия пятого порядка запрещена. Так что нам пришлось импровизировать, и в конце концов мы стали экспериментировать с пенопластовыми шариками и каркасной проволокой. Вскоре мой кабинет стал выглядеть как безумная поделочная мастерская.

Мы начали со сборки кластера из тринадцати пенопластовых шариков в форме икосаэдра, как я описывал на своей лекции в Пенне: один шарик в центре, а остальные двенадцать в вершинах икосаэдра, как показано на следующей странице.

Затем мы попытались окружить этот первый икосаэдр еще двенадцатью такими же икосаэдрами, построив более крупную и сложную структуру – “икосаэдр из икосаэдров”. Но это сразу же привело к новой проблеме. Икосаэдры не прилегают плотно друг к другу – между ними остаются большие зазоры. Поэтому мы попытались сохранить структуру, вставляя дополнительные пенопластовые шарики и куски проволоки, чтобы заполнить все пустые пространства между отдельными икосаэдрами. Этот метод неплохо работал и позволил нам построить большой кластер с симметрией икосаэдра, содержащий более 200 атомов.

Затем мы попытались повторить наш успех, используя на сей раз тринадцать копий этого большого кластера, чтобы построить из них еще более крупный. Однако теперь и просветы получались намного больше – и модель постоянно разваливалась на части.

Наш нехитрый поделочный проект, по-видимому, демонстрировал фундаментальное ограничение в создании атомных структур с икосаэдрической симметрией. Поскольку отдельные икосаэдры не прилегают плотно друг к другу, между ними с добавлением атомов появляются все более крупные просветы, которые требуется как-то заполнять. На основе этого опыта мы предположили, что икосаэдрическую симметрию невозможно распространить более чем на несколько сотен или, возможно, тысяч атомов.

Мы с Довом ошибочно считали, что наша стратегия иерархического построения – от одного кластера к кластеру кластеров – это единственный способ сохранения икосаэдрической симметрии. По сей день я храню в кабинете одну из тех каркасных моделей в качестве напоминания о том, как близки мы были к ошибочному выводу.

Мы вдвоем обдумывали публикацию статьи с описанием нашего вывода о невозможности икосаэдрической симметрии. Однако Дов спас нас от позора, принеся статью о замощениях Пенроуза, опубликованную четырьмя годами ранее в Scientific American. Пенроуз? Я, конечно, хорошо знал это имя. Но оно совершенно точно не ассоциировалось у меня с какими-либо формами вещества или геометрическими замощениями.

Роджер Пенроуз (ныне сэр Роджер Пенроуз), физик из Оксфордского университета, уже тогда был известен всему миру своим вкладом в общую теорию относительности и ее применением к пониманию эволюции Вселенной. В 1960-х годах Пенроуз доказал ряд важных теорем о сингулярности, показывающих, что в широком диапазоне условий Вселенная, расширяющаяся в наши дни, должна была появиться в результате Большого взрыва. Спустя более чем четыре десятилетия некоторые космологи, включая меня, рассматривают способы обойти эти начальные условия, с тем чтобы избежать Большого взрыва и заменить его Большим отскоком.

Нам крупно повезло, поскольку единственная причина, по которой Дов знал о замощениях Пенроуза, состояла в том, что он первоначально пришел в Пенн работать как раз в области общей теории относительности. В декабре 1980 года, за год до того, как попасть на мою лекцию, он слышал, как Пенроуз рассказывал о своих схемах замощения на международной конференции.

Балтимор, Мэриленд, 1980 год

Дов был участником Десятого техасского симпозиума по релятивистской астрофизике. Для мероприятия, проходившего в Балтиморе, который находится примерно в двух тысячах километров от Далласа, название было довольно странное. Тут сказалось следование неформальной традиции. Техас принимал первый симпозиум по релятивистской астрофизике, и поэтому все последующие сохраняют это первоначальное название, даже если проводятся в швейцарской Женеве.

В кулуарах конференции между научными докладами Дов наткнулся на Роджера Пенроуза, беседующего с группой студентов. Надеясь узнать что-нибудь о последних работах Пенроуза по теории относительности, он подошел ближе и прислушался к разговору.

К немалому его удивлению, Пенроуз говорил вовсе не о теории относительности или космологии. Вместо этого он рассказывал студентам о новой схеме замощения, которую придумал несколькими годами ранее просто ради развлечения. По сути, он открыл ее, просто машинально рисуя на бумаге. Пенроуз набрасывал в блокноте схемы плиток и их групп, пока не обнаружил замощение, позволявшее решить знаменитую математическую головоломку. Он был не только безгранично любопытным творческим гением, но также и чрезвычайно талантливым художником, способным рисовать от руки точные фигуры. На протяжении всей своей карьеры Пенроуз часто использовал на своих семинарах замысловатые рисунки для пояснения сложных математических вопросов.

Придумывание нового типа замощения может показаться странной формой забавы. Для Пенроуза это было упражнением в “развлекательной математике”, хобби, состоящим в исследовании некоторых хорошо известных математических проблем и головоломок. Этим занимаются самые разные люди от начинающих любителей до знаменитых математиков, от молодежи до стариков.

Самым известным автором в жанре развлекательной математики в то время был Мартин Гарднер, который на протяжении двадцати пяти лет вел в Scientific American ежемесячную колонку “Математические игры”.

Статья, которую принес мне Дов, как раз и была колонкой Мартина Гарднера в Scientific American, посвященной замощениям Пенроуза и опубликованной в 1977 году, примерно через три года после изобретения Пенроузом этих замощений. В статье рассказывалось, как Пенроуз обнаружил изящное решение проблемы, над которой много лет бились любители развлекательной математики: можно ли найти такой набор плиток, который покрывает пол без зазоров, причем только непериодически?

Треугольниками можно покрыть пол не периодически, если, например, расположить их в форме спирали, как показано на иллюстрации внизу слева. Однако из треугольников можно также выстроить периодическое замощение, показанное внизу справа. Поэтому треугольники не являются решением поставленной задачи.

Когда-то математики считали, что невозможно найти фигуру или комбинацию фигур, которая будет удовлетворять этим требованиям. Однако в 1964 году математик Роберт Бергер сконструировал корректный пример, в котором использовалось 20426 различных форм плиток. С течением времени другим удалось найти примеры с использованием намного меньшего числа плиток различной формы.

В 1974 году Пенроуз совершил большой прорыв, когда нашел решение задачи с использованием всего двух плиток разной формы, которые он назвал “змеями” и “дротиками” (kites и darts; см. вверху). На каждой из этих плиток нарисована дуга окружности, или “лента”. Пенроуз ввел правило, согласно которому две плитки можно прикладывать друг к другу сторонами, только если ленты на обеих сторонах общего ребра состыковываются. Следование этому “правилу совмещения” не позволяет плиткам складываться в какой-либо регулярно повторяющийся рисунок. Замощение, представленное выше, демонстрирует сложный рисунок, образуемый лентой, когда много змеев и дротиков прикладываются друг к другу в соответствии с пенроузовским правилом совмещения.

Филадельфия, октябрь 1981 года

В статье Гарднера описывалось множество открытых Пенроузом удивительных особенностей его оригинальных замощений, а также их дополнительные свойства, открытые позднее его другом, математиком Джоном Конвеем из Кембриджского университета.

Конвею принадлежит бессчетное множество результатов в теории чисел, теории групп, теории узлов, теории игр и других фундаментальных областях математики. Например, именно он изобрел игру “Жизнь” – знаменитую математическую модель (так называемый клеточный автомат), где реализуются некоторые аспекты самовоспроизводящихся машин и биологической эволюции.

Когда Пенроуз познакомил Конвея с новыми замощениями, тот пришел в абсолютный восторг. Он немедленно начал вырезать фигуры из бумаги и картона, складывая их и заполняя столы и все остальные поверхности своего жилища различными сочетаниями вырезанных фигур, чтобы изучить их свойства. Статья Гарднера в Scientific American включала многие из важных фактов, обнаруженных Конвеем, что помогло нам с Довом прояснить для себя некоторые на первый взгляд неочевидные свойства пенроузовских замощений.

Читая другие статьи, мы узнали, что точная форма этих плиток неважна, покуда они соединяются друг с другом способом, эквивалентным змеям и дротикам. Версия, которую нам с Довом оказалось проще анализировать, состояла из пары ромбов – широкого и узкого. Именно эти четырехугольники были использованы для создания замощения, изображенного на следующей странице.

Из одних только широких ромбов можно сложить периодический узор, равно как и из одних только узких. Также из различных комбинаций этих двух фигур можно получить другие периодические замощения.

Однако использование ромбов – это еще не все. Чтобы полностью исключить возникновение периодичности, необходимо ввести некие правила совмещения. Один из возможных подходов состоит в том, чтобы использовать ленты по аналогии с теми, что придумал Пенроуз для своих змеев и дротиков, и установить правило, гласящее, что две плитки могут соединяться, только если на ребре, по которому они граничат, состыковываются их ленты.

Другой способ воспрепятствовать появлению обычного периодического рисунка состоит в замене прямых краев плиток кривыми или имеющими специальные выступы, подобно деталям пазла, – это отлично иллюстрирует замечательный пример паркета из индивидуальных деталей, изображенный справа. В смысле взаимного расположения плиток этот деревянный паркет эквивалентен замощению из серых и белых ромбов. Единственное отличие состоит в том, что на деревянные плитки добавлены замки́. Они позволяют деталям соединяться друг с другом, как в пазле, и исключают возможность выложить ими какой-либо периодический узор.

Если вы впервые видите замощение Пенроуза, уделите немного времени его изучению и оцените свое первое впечатление. Как бы вы могли его охарактеризовать? Видите ли вы в нем упорядоченный или неупорядоченный узор? Если вам кажется, что плитки следуют друг за другом в упорядоченной последовательности, то как предсказать, какая плитка окажется следующей?

Глядя на замощение из широких серых и узких белых ромбов, мы с Довом заметили определенные часто повторяющиеся мотивы, такие как звездообразные кластеры из пяти серых плиток, окружающих центральную точку, – чего трудно было бы ожидать для случайного узора. Но мы также заметили, что эти кластеры не повторяются через равные интервалы, как должно быть в периодическом рисунке. И в то же время расстояния между этими повторениями не выглядели произвольными, что было бы ожидаемо при случайном узоре.

Сравнивая конфигурации плиток, которые непосредственно окружают звездообразные кластеры, мы заметили, что не у всех звезд окружение совпадает. На следующем слое окружающих плиток мы обнаружили еще больше различий. Изучив рисунок на странице 58, вы сами можете их заметить. На самом деле ни у какой пары звезд не будет в точности одинакового окружения, если смотреть достаточно далеко от их центров.

Это было важно, поскольку, как мы с Довом знали, в периодических узорах такого не бывает. Каждая плитка в замощении квадратами всегда имеет в точности такое же окружение, как и любая другая, как бы далеко от центра построения мы ни заглядывали.

Этим простым наблюдением мы подтвердили, что узор Пенроуза не может быть периодическим. И все же узор, состоящий из кластеров, которые очень похожи между собой и часто повторяются в замощении, нельзя считать и случайным. Это привело нас к вопросу: что за узор может быть одновременно и не периодическим, и не случайным?

Готового ответа не было, и это меня по-настоящему заинтриговало. Никто не видел ничего подобного узору Пенроуза до того, как он придумал его в 1974 году. Даже сам Пенроуз, похоже, не в полной мере оценил значимость собственного открытия. В своей первой статье Пенроуз описывает узор как “непериодический”, четко показывая, чем его замощение не является. Но там нет ни слова о том, каким же оно на самом деле является. А для нас с Довом это было крайне принципиально.

Когда мы только начали изучать замощение Пенроуза, мы представляли себе, что сможем сконструировать аналогичный трехмерный узор, используя пару строительных блоков. Затем, заменив строительные блоки каждый формы определенным типом атомов или кластером атомов, мы надеялись построить атомную структуру, которая реализовала бы нашу мечту о новом типе вещества.

Однако прежде всего нам следовало убедиться в том, что новая атомная структура действительно является новой, и выделить ее особые физические свойства, а для этого требовалось определить ее симметрии. Просто описать новое вещество как непериодическое или неслучайное было недостаточно. Поэтому следующие несколько месяцев мы полностью посвятили замощению Пенроуза, чтобы понять, сможем ли мы открыть математический секрет его симметрий.

Первое удивительное свойство замощений Пенроуза, которое установили мы с Довом, состояло в том, что в них в слабой форме проявляется вращательная симметрия пятого порядка, которая, конечно, считалась невозможной.

Чтобы увидеть в замощении Пенроуза симметрию пятого порядка, требуется некоторое усилие. Вернемся к рисунку на странице 58 с замощением, составленным из широких серых и узких белых ромбических плиток. Уделите немного времени изучению плиток, которые непосредственно окружают любой из звездчатых кластеров. Их расположение представляется весьма сложным. Мысленно поверните его на одну пятую оборота, или на 72°. Совпадет ли конфигурация с той, что была вначале?

Если вы попробуете выполнить этот эксперимент, то обнаружите, что верным ответом будет “по-разному”. Для некоторых звезд ответ – твердое “нет”. Отбросьте их и выберите другие. Продолжайте, пока не найдете такой звездчатый кластер, для которого ответ будет “да”. Долго искать вам не придется.

Теперь рассмотрите второй слой плиток, окружающих выбранный вами звездчатый кластер. Повторите вращение на 72°, одну пятую часть полного оборота, и проверьте, выглядит ли эта конфигурация плиток, которая простирается теперь на два слоя от исходного звездчатого кластера, так же, как исходная.

И вновь для некоторых звезд ответом будет “нет”. Опять же проигнорируйте их и продолжайте поиск, пока не найдете один из тех более редких звездчатых кластеров, для которого ответом будет “да”. Теперь повторите этот процесс еще раз для этого подмножества, перейдя к трем слоям. И так далее.

Проверяя все больше и больше слоев, вы будете отбрасывать все больше и больше звездчатых кластеров, но обнаружите, что всегда остаются некоторые кластеры, сохраняющие симметрию пятого порядка. Эта процедура намного более трудоемкая, чем та, что требуется для проверки симметрии периодического замощения, но этого достаточно для доказательства того, что замощение Пенроуза обладает вращательной симметрией пятого порядка.

С использованием более сложных математических методов можно показать, что формально замощение Пенроуза обладает более чем пятым порядком симметрии. В действительности оно имеет симметрию десятого порядка. Но для нас с Довом разница между пятым и десятым порядком симметрии была неважна. В любом случае эта симметрия была строго запрещена математикой замощений и известными законами кристаллографии.

Отсюда вытекало лишь одно: в основании этих законов лежало ошибочное допущение, и на протяжении более чем двух столетий никто этого не замечал. Существовала некая лазейка. Едва осознав это, мы с Довом загорелись этой темой. Мы просто обязаны были найти эту лазейку.

Мы уже знали о правилах совмещения, загадочных замках, которые мешают плиткам складываться в какой-либо периодический узор. Правила совмещения означали, что плиткам дозволялось соединяться только в узоры с запрещенной симметрией пятого порядка.

С помощью моделей из шариков и проволоки мы с Довом уже начали конструировать аналогичную трехмерную структуру, состоящую из строительных блоков, каждый из которых представлял один или несколько атомов. Для нашей модели мы перевели замки Пенроуза в атомные связи, соединявшие атомы, предоставляемые одним из наших трехмерных строительных блоков, с атомами другого. Эти атомы естественным образом препятствовали бы затвердеванию в виде любого типа кристалла с регулярной периодической решеткой. Вместо этого атомы были бы вынуждены создавать искомый нами новый тип вещества с икосаэдрической симметрией.

Лично меня сильнее всего цепляла именно эта линия размышлений, поскольку я находился под большим влиянием воображаемого воннегутовского льда-девять, в котором новая компоновка молекул воды – лед-девять – была стабильнее обычного кристаллического льда. Новая форма вещества, за которой мы охотились, могла бы оказаться, если ее удастся найти, значительно более стабильным материалом, тверже обычных кристаллов. Но какого рода закономерность стояла за правилами совмещения?

Одна из подсказок состояла в том, что замощения Пенроуза подчиняются так называемому правилу дефляции. Каждый широкий и узкий ромб в замощении Пенроуза можно разделить на части меньшего размера, которые образуют другое замощение Пенроуза. На рисунке внизу исходное замощение показано жирными линиями. Способ разделения, или дефляции, каждой широкой и узкой плитки отмечен пунктиром. Как видно на рисунке, пунктирные линии соединяются и образуют новое замощение Пенроуза с бо́льшим количеством элементов.

Начав с небольшой группы плиток и повторяя процедуру дефляции, можно получить замощение Пенроуза с любым желаемым числом элементов. Обратный процесс, заменяющий группы плиток меньшего размера более крупными, называется правилом инфляции. Правила дефляции и инфляции доказали нам с Довом, что замощение Пенроуза обладает своего рода предсказуемой иерархической структурой.

Мы с Довом были убеждены, что сочетание симметрии пятого порядка, правил совмещения и правил дефляции-инфляции служит безошибочным свидетельством того, что пенроузовское размещение плиток является упорядоченным в новом, неинтуитивном смысле. Но каким именно порядком оно обладает?

Это не давало нам покоя. Мы с Довом знали, что если сумеем ответить на этот вопрос, то откроем путь в обход давно признанного закона, диктующего, какими типами симметрии может обладать вещество. А это может оказаться ключом к серьезному сдвигу парадигмы и открытию множества невиданных доселе материалов.

Но, ради всего святого, что же это за обходной путь? Мы оказались в тупике.

Глава 3

Обнаружение лазейки

Филадельфия, 1982–1983 годы

Важную подсказку, позволившую раскрыть секрет симметрии замощений Пенроуза, мы с Довом обнаружили в неопубликованной работе гениального математика-любителя по имени Роберт Амманн.

Он был необычным человеком, ведущим уединенный образ жизни. Способностей Амманна хватило для поступления в Университет Брандейса в середине 1960-х. Но отучился он только три года, в течение которых редко покидал свою комнату. В конце концов его отчислили, и он так никогда и не получил диплома.

В дальнейшем он самостоятельно освоил программирование компьютеров и нашел работу в области низкоуровневого программирования. К сожалению, он потерял место во время волны сокращений в компании. Тогда он стал сортировать корреспонденцию на почте, поскольку на этой работе не требовалось много общаться с людьми. Сослуживцы считали его предельно некоммуникабельным и замкнутым интровертом.

Вот только почтовые служащие наверняка не догадывались, что Амманн был настоящим математическим гением. В свободное от работы время он погружался в тот же мир развлекательной математики, что увлекал таких мэтров науки, как Роджер Пенроуз и Джон Конвей. С характерной скромностью Амманн описывал себя как “склонного к математике рисовальщика каракулей”.

Мы с Довом натолкнулись на идеи Амманна в двух коротких статьях в малоизвестных журналах, написанных Аланом Маккеем, кристаллографом и профессором материаловедения из Лондонского университета. Маккей разделял наше восхищение икосаэдром, замощениями Пенроуза и фантазиями о материалах с запрещенной симметрией пятого порядка. В этих двух статьях, напоминавших скорее спекулятивные эссе, нежели исследовательские работы, были изложены некоторые его важные соображения по этой теме. Они включали две иллюстрации, которые сразу вызвали у нас особый интерес.

На первой Маккей изобразил пару ромбоэдров – широкий и узкий, как показано на рисунке внизу. Нам с Довом эти трехмерные фигуры уже были хорошо знакомы. Это были очевидные трехмерные аналоги широких и узких ромбов, которые использовались для построения двумерных замощений Пенроуза. Так что, по-видимому, Маккей шел тем же путем, что и мы.

Однако мы были разочарованы, не обнаружив в его статье никаких правил совмещения, которые не давали бы трехмерным строительным блокам образовывать периодические кристаллические структуры. Для нас с Довом главной задачей был как раз поиск этих особых правил совмещения. Без них атомы могли бы по-прежнему соединяться в одну из нескольких обычных кристаллических структур, вместо того чтобы вынужденно образовывать невозможную структуру, которую мы надеялись открыть.

Нас также заинтриговала другая иллюстрация, опубликованная Маккеем (здесь не приводится). Это была фотография дифракционной картины, порожденной при прохождении лазерного луча через изображение замощения Пенроуза. На снимке Маккея было видно, что сложный дифракционный узор включает отдельные особенно яркие пятна, и некоторые из них расположены в углах десятиугольника, а некоторые другие – в углах пятиугольника. Однако мы не могли определить, четкие это точки или расплывчатые сгущения и расположены ли они вдоль идеально прямых линий.

Для физиков вроде нас с Довом эти детали были чрезвычайно важны. Четкие точки, выстроенные идеально прямыми рядами в сочетании с группами пятен, образующими правильные десятиугольники и пятиугольники, – это была бы невиданная прежде дифракционная картина. И главное, она указывала бы на такое расположение атомов, с которым никто еще не встречался.

Размытые пятна с неидеальным выравниванием были бы уже не столь захватывающими. Они указывали бы на сочетание порядка и беспорядка в расположении атомов, подобно тем структурам, которые мы уже изучали с Дэвидом Нельсоном, а не на новую форму вещества.

Разумеется, мы с Довом надеялись на первый вариант, который свидетельствовал бы о чем-то поистине новом. Мы связались с Маккеем, чтобы расспросить о правилах совмещения и точной математической природе дифракционной картины на его фото, однако у него не нашлось ответов на наши вопросы. По его словам, математика не была его сильной стороной. Поэтому он не знал, как доказать, были ли дифракционные пятна от замощения Пенроуза идеально четкими или расплывчатыми. Он также признался, что у него есть лишь одна фотография, и это было печально, поскольку на снимках всегда есть небольшие искажения. Так что у него не было уверенности относительно дифракционных свойств.

Маккей также сообщил нам, что широкие и узкие ромбоэдры в его статье не были его собственным изобретением. Он позаимствовал их непосредственно из работы одного малоизвестного любителя – Роберта Амманна. Именно тогда мы впервые услышали имя этого загадочного гения, который мало с кем общался, кроме гуру развлекательной математики Мартина Гарднера из Scientific American, к кому Маккей и посоветовал нам обратиться за помощью.

Дов немедленно написал Гарднеру, а тот, в свою очередь, отправил нас к Бранко Грюнбауму и Джеффри Шепарду, которые как раз готовили к выпуску книгу о замощениях, куда вошли некоторые из гениальных изобретений Амманна. От них мы узнали, что Амманн независимо изобрел ромбоидные плитки, похожие на открытые Пенроузом, с правилами совмещения, вынуждающими к образованию симметрии пятого порядка. Что еще поразительнее, он также изобрел другой набор плиток с правилами совмещения, вынуждающими к столь же невозможной симметрии восьмого порядка.

У Амманна не было математического образования, поэтому он не предоставил никаких доказательств того, что его правила совмещения работают, и даже не описал свои результаты в научной статье. Он просто интуитивно знал, что прав.

Гарднер также предоставил нам заметки Амманна, в которых подробно излагались его соображения о строительных блоках с икосаэдрической симметрией. Но и тут не было ни строгих доказательств, ни даже попыток привести убедительные аргументы.

Несколько лет спустя мы с Довом смогли разыскать неуловимого гения в окрестностях Бостона и уговорили его приехать к нам в Филадельфию. Амманн оказался именно таким, каким я его себе и представлял. Он был полон творческих геометрических идей и захватывающих предположений, которые никогда не публиковались, но очень часто оказывались верными. Некоторые из них, как, например, идея ромбоэдров, впервые появившаяся на иллюстрации Маккея, были открыты независимо нами с Довом ценой тяжелого труда и утомительного поиска доказательств. Для Амманна все это было попросту интуитивно очевидно. К сожалению, несколько лет спустя его не стало, так что нам с Довом не довелось больше с ним увидеться.

Самым важным его изобретением, на наш с Довом взгляд, было введение названных его именем полос Амманна – могучего и действенного правила совмещения. На широких и узких ромбах с прямыми сторонами Амманн рисовал набор полосок в соответствии со строгим рецептом, проиллюстрированным пунктирными линиями на рисунке вверху.

Правило совмещения Амманна состоит в том, что две плитки можно соединять между собой только в том случае, если на всех краях, которыми они стыкуются, нанесенные на них полосы продолжают друг друга. Это накладывает того же типа ограничения, что и пенроузовские ленты и замки. Так что на первый взгляд тут нет ничего примечательного.

Однако при более внимательном анализе становится ясно, что полосы Амманна все меняют. Мы с Довом обнаружили, что они выявляют в замощениях Пенроуза нечто такое, чего сам Пенроуз не заметил. И именно это забросило нас с Довом в странный новый мир невозможных симметрий.

Мы видели, что при стыковке плиток в соответствии с правилом совмещения отдельные полосы Амманна соединяются и образуют прямые линии Амманна, которые тянутся через все замощение. Ниже изображено замощение, поверх которого наложена система линий Амманна. Этот массив состоит из пяти наборов параллельных линий, ориентированных под разными углами.

Мы с Довом обнаружили, что все эти пять наборов прямых одинаковы и повернуты друг к другу под такими же в точности углами, как стороны правильного пятиугольника. Нельзя было и представить себе более простого доказательства наличия у данного замощения симметрии пятого порядка.

Для нас с Довом это был поистине захватывающий момент. Теперь мы точно знали, что находимся на пути к открытию, которое прямо противоречит столетним теоремам Гаюи и Браве. Мы были уверены, что линии Амманна таят в себе ключ к обходу этих надежно доказанных теорем и к объяснению секрета симметрии замощений Пенроуза. Но нам еще только предстояло расшифровать их смысл.

Важнее всего оказалось сосредоточиться лишь на одном из пяти наборов прямых линий, например на том, который выделен на рисунке справа. Видно, что просветы между этими параллельными линиями Амманна бывают двух размеров – широкие (W) и узкие (N). Для нас самыми важными были две величины: отношение между ширинами этих двух типов просветов и частота, с которой они повторяются на рисунке. Мы были на пороге открытия того, что эти две величины – отношение и последовательность – связаны с двумя знаменитыми математическими понятиями: золотым сечением и числами Фибоначчи.

Золотое сечение часто обнаруживается в природе и с древних времен встречается в искусстве. Считается, что египтяне руководствовались им при строительстве великих пирамид. В V веке до нашей эры греческий скульптор и математик Фидий утверждал, что применял золотое сечение при создании Парфенона в Афинах, который сегодня считается величайшим памятником греческой цивилизации. В память о Фидии это отношение часто обозначают греческой буквой Φ (произносится как “фи”).

Греческому математику Евклиду, которого считают отцом геометрии, принадлежит самое раннее сохранившееся определение золотого сечения с использованием простых объектов. Он рассматривал способы разделить палку на две части таким образом, чтобы соотношение короткого и длинного кусков было равно соотношению длинного и их суммарной длины. Найденное Евклидом решение состоит в том, что более длинный кусок должен быть ровно в Φ раз больше короткого, где Φ равно

и выражается бесконечной неповторяющейся последовательностью десятичных цифр.

Числа, представляемые бесконечными непериодическими десятичными дробями, называются иррациональными, поскольку их нельзя выразить отношением двух целых чисел. Это отличает их от рациональных чисел, таких как 1/3 или 143/548, которые представляют собой отношения целых чисел и в десятичной форме записываются как 0,333… и 0,26094890510948905109… соответственно, то есть содержат периодически повторяющиеся последовательности цифр, если вычислить достаточное их количество.

Впрочем, появление золотого сечения в симметрии пятого порядка в замощении Пенроуза не то чтобы сильно поразило нас с Довом, поскольку это соотношение напрямую связано с геометрией пятиугольника. Например, на левом рисунке внизу отношение длины верхнего отрезка, соединяющего противоположные вершины пятиугольника, к длине одной из его сторон равно золотому сечению. Икосаэдр, изображенный справа, также заключает в себе золотое сечение: его двенадцать вершин образуют три взаимно перпендикулярных прямоугольника, у каждого из которых отношение длины к ширине равно золотому сечению.

По-настоящему удивило нас с Довом то, что мы обнаружили золотое сечение также и в чередовании широких (W) и узких (N) просветов.

Рассмотрим последовательность просветов W и N на рисунке со страницы 71. В ней нет никакого регулярного повторения. Если вы станете подсчитывать количество W и N, следя за соотношением этих чисел, то после учета первых трех просветов получите отношение 2 к 1, после первых пяти – 3 к 2, после первых восьми – 5 к 3 и так далее.

Есть простое арифметическое правило, которое порождает эту последовательность. Возьмем первое отношение – 2 к 1. Сложим эти два числа (2 + 1 = 3) и затем сравним сумму (3) с большим из двух исходных чисел (2). Получится новое отношение – 3 к 2, которое также оказывается очередным в последовательности, полученной для просветов. Сложим следующие два числа (3 + 2 = 5) и снова сравним результат с большим из двух предыдущих чисел – получим отношение 5 к 3.

Этот процесс можно продолжать бесконечно, получая соотношения 8 к 5, 13 к 8, 21 к 13, 34 к 21, 55 к 34 и так далее. Эти соотношения будут в точности предсказывать последовательность для амманновских просветов.

Мы с Довом сразу узнали эту последовательность целых чисел: 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, … Она известна как числа Фибоначчи и названа в честь итальянского математика Леонардо Фибоначчи, жившего в Пизе в XIII веке.

Отношения последовательных чисел Фибоначчи – 2:1, 3:2, 5:3, … – это отношения целых чисел, а значит, они рациональные. Однако знаменитое свойство последовательности Фибоначчи состоит в том, что чем больше становятся целые числа, тем ближе их отношение подходит к золотому сечению. Такова его связь с числами Фибоначчи.

Как оказалось, единственный способ получить такое чередование W и N, которое воспроизводит числа Фибоначчи, состоит в том, чтобы по мере распространения замощения Пенроуза по всем направлениям просветы W повторялись с большей частотой, чем N, в соотношении, в точности равном золотому сечению – иррациональному числу. Если коротко, то именно в этом и состоит секрет замощения Пенроуза.

Последовательность, состоящая из двух элементов, повторяющихся с разными частотами, отношение которых выражается иррациональным числом, называется квазипериодической. Квазипериодическая последовательность никогда не повторяется в точности.

Например, нет таких двух просветов в последовательности Фибоначчи, которые были бы окружены одинаково расположенными наборами просветов с ширинами W и N, хотя в некоторых случаях надо зайти достаточно далеко, чтобы обнаружить различия. То же относится и к плиткам Пенроуза. Отследите замощение достаточно далеко, и вы обнаружите, что никакие две плитки не будут окружены в точности одинаковой конфигурацией других.

Наконец-то мы с Довом поняли, где именно пролегает путь в обход вековых правил Гаюи и Браве. Фундаментальная теорема кристаллографии гласит: если схема расположения плиток или атомов является периодической, повторяющейся с одной определенной частотой, то возможны только некоторые симметрии. В частности, симметрия пятого порядка по любому направлению совершенно невозможна для периодических конфигураций атомов. Тут следует говорить о невозможности первого рода, то есть об абсолютно непреложной истине, подобно тому как 1 + 1 ни при каких условиях не может дать 3.

Однако, когда ученые уверяли целые поколения студентов, что симметрия пятого порядка невозможна ни для какого типа материи, это был уже пример невозможности второго рода – такое утверждение опиралось на допущение, которое не всегда корректно. В данном случае физики и материаловеды безосновательно полагали, что все упорядоченные конфигурации атомов являются периодическими.

Как стало ясно нам с Довом, замощение Пенроуза – это геометрический пример упорядоченной конфигурации, которая не является периодической. Это квазипериодический порядок плиток или атомов, который описывается двумя различными частотами повторения с иррациональным отношением между ними. Это и была наша заветная лазейка. Прежде ученые считали, что атомы в веществе всегда располагаются либо периодически, либо беспорядочно. Они никогда не рассматривали квазипериодические конфигурации.

Если настоящие атомы могли каким-то образом организоваться в структуру, которая повторяется с двумя разными частотами, находящимися в иррациональном соотношении, то получилась бы совершенно новая форма вещества, которая пошатнула бы устоявшиеся правила Гаюи и Браве.

Эта концепция казалась очень простой и вместе с тем невероятно глубокой. Перед нами с Довом словно открылось магическое окно, заглянуть в которое могли только мы.

Я знал, что там, вдали, открывается целое поле потенциальных новых прорывов. И пока все это поле могли исследовать мы и только мы.

Глава 4

История о двух лабораториях

Сами того не подозревая, мы с Довом тогда включились в гонку на время. После того как мы обнаружили, что квазипериодический порядок открывает секрет создания вещества с запрещенными симметриями, мы занялись разработкой теории этой новой формы вещества в естественном для нас темпе.

Мы и подумать не могли, что какой-то другой физик-теоретик решит заняться той же темой. Наш своеобразный подход, вдохновленный развлекательной математикой и замощениями, был слишком нетрадиционным, чтобы его можно было независимо повторить. Мы тогда еще не публиковали своих идей, так что никто не мог оттолкнуться от них и обогнать нас. Это не говоря уже об экспериментаторах, ничего не слышавших о нашей квазикристаллической теории, – разве могли они составить нам конкуренцию? Это казалось невозможным.

Единственное, чего мы не учли, – это случайного, серендипического открытия. Иногда простые эксперименты дают непредвиденные результаты. Если толковый экспериментатор обратит на это внимание, то у него появится шанс совершить научный прорыв. Оказалось, что, пока мы с Довом систематически разрабатывали нашу радикальную теорию, никому не известный ученый по имени Дэн Шехтман, работавший в лаборатории менее чем в 250 километрах от нас, случайно столкнулся с бессмысленными на первый взгляд результатами одного эксперимента.

То было поразительное совпадение, заслуживающее особого примечания в истории науки. Две команды, ничего не знавшие друг о друге, одновременно решили поставить под сомнение твердые, проверенные столетиями принципы. Прошло целых два года, прежде чем наши группы впервые услышали друг о друге. И когда это случилось, мы быстро выяснили, что для достижения наших целей мы с ними нуждались во взаимопомощи.

Филадельфия, 1983–1984 годы

Мы с Довом встречались почти каждый день для работы над нашей теорией. Первым делом мы сосредоточились на том, чтобы понять, как можно было использовать квазипериодическое упорядочение – открытую нами лазейку в законах кристаллографии. Нашей целью было создание с ее помощью трехмерной структуры с запрещенной симметрией икосаэдра. Задача была амбициозная, однако, если показать возможность существования такой геометрической структуры, можно было бы начинать думать о том, как организовать в нее реальные атомы и молекулы.

Звучало почти безумно. Однако это была та самая идея, которая двигала мной с самого начала – и когда я подростком вдохновлялся льдом-девять Курта Воннегута, и когда годы спустя в нашем с Дэвидом Нельсоном исследовании быстро охлаждаемых жидкостей появились загадочные намеки на запрещенные симметрии.

Открытие Роджером Пенроузом особых фигур со специальными замками, порождающих изощренные узоры, было большим научным достижением. Но стоящая перед нами задача повторить то же самое в трех измерениях была во многих отношениях еще сложнее.

Икосаэдр, как и любой другой трехмерный объект, обладает разными вращательными симметриями относительно разных осей. Запрещенная симметрия пятого порядка проявляется для шести различных направлений. Если смотреть вдоль других направлений, то проявляются симметрии второго и третьего порядка.

Мы с Довом начали работать с ромбоэдрами – трехмерными аналогами ромбов, которые Пенроуз использовал для своих плоских замощений. Мы знали, что из ромбоэдров можно составить периодическое заполнение пространства, что было открыто Гаюи более двухсот лет назад при изучении исландского шпата. Однако Пенроуз нашел для своих ромбов замки, которые позволяли исключить образование любого периодического узора. Замки вынуждали его узкие и широкие ромбы упорядочиваться квазипериодически. Нам надо было убедиться, что то же самое сработает и для широких и узких ромбоэдров. Нам с Довом понадобилось для этого вдвое больше элементов, чем Пенроузу, – два широких ромбоэдра и два узких, у каждого из которых были свои уникальные замки. Больше фигур, больше замков – больше сложностей.

Мы последовали своей обычной практике – стали конструировать физические модели изучаемых абстрактных, теоретических объектов, чтобы визуализировать структуру. Так что мой кабинет вновь превратился в забавную поделочную мастерскую.

Меньшей проблемой было изготовление двух типов строительных блоков. Мы делали картонные развертки широких и узких ромбоэдров, из которых составлялись четыре типа блоков – два узких и два широких. Мы склеивали их липкой лентой согласно принятым нами правилам совмещения, но все это превращалось в один сплошной липкий кошмар. Так что мы закатали рукава и приклеили магниты по углам всех наших картонных разверток. Магниты располагались как раз так, чтобы исполнять роль замков. Благодаря этому блоки соединялись друг с другом только в том случае, если соблюдались правила для трехмерных замков. Это был высокоорганизованный хаос, по крайней мере, так я говорил озадаченным посетителям моего кабинета.

Фотографии некоторых из наших конструкций представлены на иллюстрации выше. Слева вверху – группа из десяти широких и десяти узких ромбоэдров, образующих почти сферическую форму.

Внешняя поверхность этой группы носит труднопроизносимое название – ромботриаконтаэдр, что по-гречески означает “тридцать граней одинаковой ромбической формы на поверхности”.

На среднем изображении из модели удален тонкий ромбоэдр, чтобы частично приоткрыть ее внутреннее устройство. На правом для лучшего обзора удален еще и широкий ромбоэдр.

Ромботриаконтаэдр был первым шагом на пути к демонстрации упаковки широких и узких ромбоэдров в квазипериодическое построение сколь угодно большого размера при сохранении икосаэдрической симметрии. Не менее важным было отсутствие зазоров между строительными блоками (ромбоэдрами) и тот факт, что наши новые замки запрещали им формировать любые иные типы структур, включая обыкновенную периодическую кристаллическую решетку.

Теперь, когда мы убедились в том, что трехмерные квазикристаллы теоретически возможны, нам требовалось найти группы атомов, способные соединяться между собой аналогичным образом, то есть по тем же правилам совмещения, при которых квазикристалл был бы единственным возможным результатом.

Мы стали разбираться в том, какие еще прежде запрещенные вращательные симметрии становятся возможными при квазикристаллическом порядке. Ответ был, мягко говоря, невероятным – все. Симметрии седьмого, восьмого, девятого порядка – буквально бесконечное множество новых возможностей, считавшихся запрещенными, были теперь разрешены. Восхитительный пример квазипериодического замощения с симметрией седьмого порядка показан ниже.

Теперь мы с Довом совершали одно за другим такое количество открытий и перед нами раскрывалось так много новых направлений для исследования, что становилось трудно понять, когда стоит остановиться и начать писать статью. Думая, что тут конкурентов у нас нет, я принял роковое решение продолжать работать и отложить публикацию наших результатов, пока мы не достигнем еще большего прогресса.

Начало 1980-х годов было одним из самых плодотворных периодов в моей карьере. Дов был не единственным работавшим со мной талантливым аспирантом. Совместно с Энди Олбрехтом мы разбирались с одной новой и весьма интересной идеей в области космологии – инфляционной теорией Вселенной, – которую тогда только-только выдвинул физик из Массачусетского технологического института по имени Алан Гут.

Немногие научные теории предстают перед нами в законченном виде при первом же появлении, и инфляционная теория не была исключением. Алан предположил, что инфляция – гипотетический период быстрого расширения в течение нескольких мгновений после Большого взрыва – потенциально может по крайней мере отчасти объяснить однородность текущего распределения материи и энергии в нашей Вселенной. Однако для этого ему пришлось допустить, что инфляция спустя очень короткое время прекращается. И тут обнаружилась проблема. Алану никак не удавалось объяснить остановку инфляции. Мы с Энди, а также Андрей Линде, который независимо занимался этой темой в Советском Союзе, смогли справиться с этой ключевой проблемой.

Наша “новая инфляционная теория” была быстро признана. Она произвела взрывной эффект, с которого начался период плодотворных инноваций в космологии, астрофизике и физике элементарных частиц, продолжающийся по сей день. В отличие от моей работы с Довом над проблемой новых форм вещества, новую инфляционную космологию исследовало множество людей, и многие из них были жесткими конкурентами. Также было много важных последующих проектов, которые просто нельзя было игнорировать.

В тот же период времени я, однако, потихоньку проверял реакцию научного сообщества на нашу новую квазикристаллическую теорию. Я начал неформально обсуждать ее с известными специалистами, занимавшимися физикой конденсированного состояния, но, к моему удивлению, реакция всегда была одинаково обескураживающей: “Ваша с Довом творческая концепция новой формы вещества математически возможна, но в сравнении с простыми принципами периодических кристаллов она выглядит слишком сложной, чтобы реализоваться в физическом мире”.

Такое отношение вполне можно понять. В конце концов, мы с Довом ставили под сомнение вековую научную мудрость, выдвигая идею о новом состоянии вещества на основании изучения одних только абстрактных замощений. Нам требовалось экспериментальное доказательство существования таких комбинаций атомов, которые сами организуются в истинные квазикристаллы. Без этого наша идея оставалась лишь очередной оторванной от реальности теоретической фантазией.

Дов, будучи менее чувствительным к критике, чем я, хотел немедленно опубликовать нашу основную концепцию. Мне же хотелось подождать, пока наши идеи не обрастут конкретикой. Я также хотел получить возможность делать проверяемые прогнозы по обнаружению новой формы вещества в экспериментах – это необходимая составляющая любой научной теории. Я полагал, что без этого наша работа, вероятно, будет отвергнута. Так что и публиковать ее пока не имело смысла.

В 1983 году мы с Довом достигли компромисса. Мы договорились защитить наш интеллектуальный вклад за счет патентного раскрытия идеи и подали соответствующую заявку при поддержке бюро технологического лицензирования Пенсильванского университета. Заявка должна была представить нашу концепцию и формально закрепить наш приоритет. Однако раскрывать наши идеи широкому научному сообществу мы не собирались, пока не достигнем большего прогресса.

Заявка, частично воспроизведенная справа, описывала наши строительные блоки, ромбоэдры, и обеспечивающие их совмещение замки. В ней говорилось, что соединения устроены так, чтобы строительные блоки были вынуждены образовывать некристаллическую структуру с симметрией икосаэдра. Также в ней объяснялось, каким образом эта идея может потенциально привести к новому фазовому состоянию вещества со свойствами, отличными как от жидкостей, так и от кристаллов. В заявке 1983 года мы с Довом называли наше теоретическое изобретение “кристаллоидами”, но позднее поменяли термин на “квазикристаллы”.

Было ли все это лишь абстрактными построениями, как утверждали критики, или это действительно была корректная научная теория, которую можно как-то проверить? И как нам распознать квазикристалл, если посчастливится его найти? Мы с Довом потратили месяцы на утомительные расчеты и в итоге обнаружили, что ответ довольно прост. Обычный рисунок рентгеновской или электронной дифракции должен был показать квазипериодичность и запрещенную симметрию в расположении атомов.

По сравнению с кристаллом, дифракционная картина у квазикристалла гораздо богаче. Она сложнее по структуре, в частности потому, что формируется атомами, повторяющимися с разными частотами, соотношение которых выражается иррациональным числом вроде золотого сечения.

Если бы электроны или рентгеновские лучи могли магическим образом испытывать дифракцию только на одном типе атомов в квазикристалле, они порождали бы на дифракционной картине разделенные равными интервалами четкие точки, известные как брэгговские пики. Однако в реальности рентгеновские лучи и электроны дифрагируют на всех атомах квазикристалла. Различные подгруппы дают разные точки на дифракционной картине, соответственно различным расстояниям между атомами. А икосаэдр еще и обладает множеством симметрий, что также добавляет сложности.

Предсказанные нами дифракционные картины имели разный вид в зависимости от того, как был направлен электронный или рентгеновский пучок – вдоль оси вращательной симметрии пятого, третьего или второго порядка. Иллюстрация справа демонстрирует рассчитанную нами дифракционную картину для луча, идущего вдоль оси “невозможной” симметрии пятого порядка.

Мы вывели математическую формулу, стоящую за секретной симметрией, и смогли сделать смелое предсказание, проверяемое экспериментально: дифракционная картина для квазикристалла должна состоять из четких точек, образующих узор, подобный снежинке.

Представленный справа архивный рисунок – это первый когда-либо рассчитанный подобный узор. Наша компьютерная программа рисовала окружности с центрами в каждой из предсказанных точек. Радиусы этих окружностей выбирались пропорционально предсказанной интенсивности дифрагированных рентгеновских лучей. Созданный нами рисунок был первой визуальной репрезентацией тех ярких и тусклых точек, которые мы ожидали увидеть на дифракционной картине реального квазикристалла.

Если бы была возможность увидеть еще более слабые точки, то оказалось бы, что между любой парой пятен есть еще много других. И между каждой парой тех пятен были бы еще более тусклые, и так далее. Нарисуй мы с Довом по окружности для каждого предсказанного пятна, узор стал бы таким насыщенным, что эти окружности слились бы в одно сплошное бесформенное белое облако. Мы знали, что в экспериментах выявляются только самые яркие пятна, и решили, что наша модель будет достаточно хорошим приближением к характерной дифракционной картине квазикристалла.

Этим рисунком мы с Довом сделали предсказание, которое можно было использовать для проверки и потенциального опровержения нашей теории. Так что теперь мы подошли к очередной вехе на нашем пути. Пришло время публиковаться? И вновь я сдержал этот порыв. Я знал, что нам понадобится нечто большее, чтобы столь радикальная теория была воспринята всерьез. Нам нужно было доказать, что ромбоэдрические блоки, использованные в нашей теоретической модели, можно было заменить реальным веществом.

К лету 1984 года с моих плеч наконец свалились трудоемкие обязательства по работе над новой инфляционной теорией. Это позволило мне выделять значительное количество времени, необходимое для финальной стадии нашего исследования квазикристаллов. Получив длительный научный отпуск в Пенсильванском университете, я отправился в Исследовательский центр IBM имени Томаса Дж. Уотсона, где в прошлом провел большую часть своих работ по атомной структуре аморфных металлов.

Гейтерсберг, Мэриленд, 1982–1984 годы

“Нет такого зверя!” – вероятно, подумал Дэн Шехтман, глядя на странные образцы под электронным микроскопом. Израильский ученый в возрасте 41 года случайно натолкнулся на вещество, обладающее всеми теми невозможными свойствами, которые предсказывали мы с Довом, хотя у него не было ни намека на наши идеи, ни понимания всей значимости его открытия. И все же Шехтман отдавал себе отчет в том, что столкнулся с чем-то удивительным. В итоге это принесло ему Нобелевскую премию по химии в 2011 году.

Шехтман работал приглашенным специалистом по микроскопии в Национальном бюро стандартов вместе с Джоном Каном, с которым он познакомился, когда был аспирантом в Технионе – ведущем израильском технологическом институте. Кан считался корифеем в области физики конденсированного состояния и был особенно известен своими исследованиями процессов, происходящих при охлаждении и затвердевании металлических жидкостей.

Кан предложил Шехтману взять двухгодичный отпуск в Технионе, чтобы принять участие в масштабном проекте, который финансировался Национальным научным фондом и Агентством перспективных оборонных исследований. Цель проекта состояла в том, чтобы синтезировать и классифицировать как можно больше различных алюминиевых сплавов, получающихся путем быстрого охлаждения жидких смесей алюминия с иными металлами. Сами сплавы создавались другими учеными. Шехтману же предлагалось с помощью электронного микроскопа анализировать, идентифицировать и классифицировать образцы. Это была важная для материаловедческого сообщества работа, поскольку алюминиевые сплавы имеют множество применений. Но сама работа была довольно скучной и однообразной.

Один из металлургов лаборатории Роберт Шефер проявлял особый интерес к созданию сплавов, состоящих из алюминия и марганца, ввиду их превосходной прочности по сравнению с чистым алюминием. Вместе со своим коллегой Фрэнком Бьянканьелло он изготовил серию образцов, состоящих из алюминия с добавлением различного количества марганца, и каждый образец рутинно отправлялся на анализ Шехтману.

8 апреля 1982 года Шехтман занимался изучением образца быстро охлажденного Al₆Mn (сокращенное научное обозначение сплава, в котором на каждый атом марганца приходится шесть атомов алюминия). Тот представлял собой крошечные перистые зерна примерно пятиугольной формы. Позднее группой Ан-Пан Цая в Университете Тохоку (Япония) был синтезирован более крупный образец, словно покрытый цветочками с отчетливо видимой пятилучевой симметрией. Его фотография представлена ниже.

Когда Шехтман направил электронный пучок сквозь зерна сплава, чтобы получить дифракционную картину, он обнаружил нечто шокирующее. На первый взгляд изображение состояло из довольно четких пятен, чего и следовало ожидать от кристалла. Однако, к удивлению Шехтмана, расположение пятен демонстрировало симметрию десятого порядка, о невозможности которой он был осведомлен не хуже, чем любой другой ученый в мире.

Шехтман зарисовал изображение на одной странице своего лабораторного журнала, а на другой привел частичный каталог дифракционных пиков и приписал: “10-й порядок???”

Когда Шехтман показал свои результаты коллегам, они не особенно впечатлились. Их тоже учили, что симметрия десятого порядка невозможна. Все они полагали, что странная дифракционная картина может объясняться так называемым множественным двойникованием.

Двойниковый кристалл обычно образуется при сращивании между собой двух по-разному ориентированных кристаллических зерен. Множественное двойникование – это ситуация, когда срастаются три или более зерен, ориентированных под разными углами. Два примера показаны на иллюстрации выше. Слева представлен пример тройного двойникования. Невооруженным глазом видно, что объединившиеся кристаллы ориентированы под тремя разными углами.

Изображение справа – гораздо более хитрое. Это пример множественно-двойникованного золота. Образец состоит из пяти различных клиньев, которые для лучшей различимости обозначены линиями. Атомы – это размытые белые пятна внутри каждого клина. На первый взгляд общая форма напоминает квазикристалл с симметрией пятого порядка. Но это ошибочное впечатление. Это не квазикристалл.

Под микроскопом становится видно, что каждый из пяти клиньев состоит из периодически повторяющихся шестиугольных групп атомов. Следовательно, каждый отдельный клин – это кристалл, подчиняющийся всем законам кристаллографии. В целом же это пример множественно-двойникованного кристалла. То есть это просто группа кристаллов, по воле случая сросшихся пятью клинообразными фрагментами и образовавших форму, напоминающую пятиугольник. Любое твердое тело, состоящее из комбинации кристаллических клиньев, всегда считается кристаллом, вне зависимости от числа и взаиморасположения этих клиньев.

Множественное двойникование встречается повсеместно. Поэтому совершенно естественно, что коллеги Шехтмана, включая Джона Кана, были убеждены, что образец Al₆Mn был просто еще одним примером этого явления. Никто не ожидал обнаружить нечто хоть сколько-нибудь необычное в ходе рутинного описания алюминиевых сплавов. Вся лаборатория просто отмахнулась от находки Шехтмана, посчитав ее ничем не примечательной.

Сам Шехтман, однако, был не согласен. Он не уступал и продолжал убеждать коллег в том, что обнаружил нечто новое. Возражая Шехтману, Джон Кан рассказал о тесте, который позволит разрешить этот спор. Кан предложил Шехтману сфокусировать электронный пучок на очень небольшом участке образца. Если тот является множественно-двойникованным кристаллом, как предполагала вся остальная лаборатория, многие пятна из десятилучевого узора исчезнут, а оставшиеся образуют рисунок с хорошо известными кристаллическими симметриями. С другой стороны, если образец действительно нарушает давно установленные принципы и обладает однородной симметрией десятого порядка, то все пятна, указывающие на десятилучевую симметрию, будут появляться независимо от того, где сфокусирован пучок.

Шехтман вернулся к своему микроскопу и провел решающий эксперимент. В какое бы место образца Al₆Mn он ни смотрел, там обнаруживалась все та же невозможная симметрия десятого порядка. Это был поразительный результат, исключавший банальную версию с множественным двойникованием. История, впрочем, умалчивает, показал ли он результаты Кану или кому-то еще из коллег, прежде чем завершился его двухлетний срок работы в Америке и он вернулся в Израиль.

Известно, однако, что Шехтман не сдался. Он понял, что его открытие настолько скандально, что никто не воспримет его всерьез, пока он не предложит правдоподобного объяснения. Но он был специалистом по электронной микроскопии, а не теоретиком с сильной математической подготовкой. Так что позднее он стал работать с израильским материаловедом Иланом Блехом – в надежде, что тот создаст подходящую теорию.

Поощряемый Шехтманом, Блех предложил модель, основанную на ряде допущений. Во-первых, он предположил, что атомы алюминия и марганца могут каким-то образом объединяться в одинаковые икосаэдрические кластеры. Затем он допустил, что эти икосаэдрические кластеры соединяются в случайном порядке, когда алюмомарганцевая жидкость охлаждается и затвердевает. Далее он предположил, что все эти кластеры каким-то образом приобретают одну и ту же ориентацию по всему объему. Эта идея была сродни допущению, что десяток брошенных в чашу икосаэдрических костей из игры Dungeons & Dragons могут чудесным образом остановиться, выровнявшись вдоль одних и тех же направлений. То есть модель строилась на целой системе предположений, в числе которых были и такие, что вряд ли могли выполняться в реальном веществе.

Эта идея проиллюстрирована ниже. Наверху изображена пара примыкающих друг к другу икосаэдров с совпадающими вершинами. Внизу – приблизительное представление того, как могла бы выглядеть соответствующая случайная структура.

Рисунок демонстрирует наличие значительных пустот между икосаэдрами, когда большое их число соединяется вместе в соответствии с идеями Блеха. Мы с Довом столкнулись с той же проблемой, когда пытались строить кластеры из пенопластовых шариков и каркасной проволоки. Мы уже знали, что пустые зазоры представляют собой большую проблему, поскольку в реальности они пустыми не остаются. Нет никакой возможности помешать атомам двигаться и заполнять зазоры в процессе остывания жидкости. А затем эти атомы начнут оказывать колоссальное давление на икосаэдрические кластеры и разрушать их аккуратное выравнивание. Это было одной из причин, по которой мы с Довом в итоге отвергли идею использования икосаэдрических кластеров в качестве строительных блоков. В нашей квазикристаллической модели использовались ромбоэдры, которые можно упаковывать без всяких зазоров.

Затем Блех сделал еще одно грубое упрощение. Поскольку у него не было конкретного представления о том, как именно атомы могут заполнять пустоты, он мог лишь приближенно рассчитать дифракционную картину, которая порождалась бы атомами, собранными в икосаэдрические кластеры. Без всякого обоснования он просто не стал учитывать вклад атомов, заполняющих пустоты. Шехтман и Блех были впечатлены тем, что дифракционная картина на качественном уровне походила на ту, которую Шехтман наблюдал под электронным микроскопом для образца Al₆Mn.

Однако и в этих вычислениях была проблема. В отличие от нашей квазикристаллической теории, модель Шехтмана – Блеха не была квазипериодической. Они предполагали, что кластеры икосаэдрической формы разбросаны случайно. Но случайное распределение икосаэдрических кластеров не могло породить четких дифракционных точек. На тот момент было непонятно, демонстрируют ли зерна Al₆Mn, которые изучал Шехтман, четкие дифракционные точки или нет. Так что Шехтман и Блех решили игнорировать этот вопрос.

Вместо этого они написали статью, излагающую экспериментальные результаты Шехтмана и их объяснение на основе модели Шехтмана – Блеха, и весной 1984 года направили ее в Journal of Applied Physics.

Статья была сразу отклонена. Редактор не счел убедительными ни экспериментальные результаты, ни саму теорию и не передал статью на рецензирование ученым, которые дали бы свои замечания.

Мы с Довом все еще ничего не публиковали. Так что Шехтман с Блехом были совершенно не в курсе нашей работы. Они не имели представления о том, что мы с Довом располагаем досконально разработанной теорией, свободной от недостатков их модели, и что наша работа потенциально способна объяснить странности образца Al₆Mn. С другой стороны, поскольку статья Шехтмана и Блеха была отвергнута без рецензирования, и мы с Довом не знали о том, что содержалось в лабораторном журнале Шехтмана.

Если бы между нашими группами случилось хоть какое-то взаимодействие, то мы, вполне вероятно, объединили бы усилия и совместно представили бы теорию и эксперимент.

Однако история пошла по несколько иному пути.

Глава 5

Взгляните на нечто невероятное

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:

Мы показываем, что недавно наблюдавшаяся электронная дифракционная картина для алюмомарганцевого сплава очень близка к той, что дает икосаэдрический квазикристалл.

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.

Наш обобщенный мультисеточный метод самым прямым и явным образом продемонстрировал то, что мы с Довом ранее уже доказали более абстрактным и косвенным математическим способом: квазикристаллические узоры можно построить для бесконечного числа различных симметрий, которые запрещены для кристаллических решеток. Теперь каждый мог легко убедиться, что число возможных форм вещества из строго ограниченного стало бесконечным. Это был серьезный сдвиг парадигмы.

Другой важной идеей, разработанной несколькими независимыми группами теоретиков, был “метод проекций”. Согласно этому подходу, замощение Пенроуза и другие квазипериодические узоры получаются как проекции, или “тени”, периодически упакованных в высоких размерностях “гиперкубов”, то есть аналогов трехмерных кубов в воображаемых геометриях пространств четырех или более измерений. Большинство людей не могут без специальной тренировки визуально представить себе, как работает этот метод, однако математики и физики находят эту концепцию очень полезной для анализа атомной структуры квазикристаллов и для расчета их дифракционных свойств.

Обобщенный мультисеточный и проекционный методы – это мощные математические инструменты для генерации узоров из ромбических плиток в двух измерениях и из ромбоэдров в трех измерениях. Но у них есть серьезное ограничение: они не дают никакой информации о правилах совмещения. Например, узоры с симметрией 11-го (см. рисунок справа вверху) и 17-го порядка (внизу) оба сгенерированы мультисеточным методом.

Эти чудесные замысловатые узоры составлены из простых ромбов: широких, средних и узких. Но у них нет ни насечек, ни замков, которые не давали бы плиткам организоваться в кристаллический узор.

Так что, если бы вам выдали стопку таких плиток и попросили замостить ими пол без использования в качестве руководства полного изображения узора, у вас мог бы получиться обычный регулярный кристаллический узор, поскольку его проще выложить. У вас также мог бы получиться случайный узор. А вот шанс выложить квазикристаллический рисунок был бы очень мал. Для этого вам понадобилось бы руководствоваться правилами совмещения, помогающими заметить допускаемые при сборке ошибки.

Представьте, что каждый тип плиток в узорах выше заменяется группой атомов. Несмотря на то что строго упорядоченный квазикристаллический порядок возможен, интуитивно очевидно, что при затвердевании жидкости атомы с гораздо большей вероятностью будут организовываться в кристаллический или случайный порядок, если только между атомами не будет взаимодействия, которое проявляется подобно правилам совмещения и препятствует такой организации. Таких конфигураций гораздо больше, чем квазикристаллических, и для их образования требуется гораздо менее тонкая координация.

Именно поэтому мы с Довом тратили поначалу столько сил на демонстрацию того, что для наших широких и узких ромбоэдров можно придумать замки, которые действовали бы как правила совмещения, препятствующие образованию как кристаллического, так и случайного порядка и вынуждающие к формированию квазикристаллической структуры.

Но достаточно ли одних правил совмещения, чтобы объяснить, как образуются квазикристаллы? Ответа на этот вопрос у меня не было. Может быть, нужны какие-то еще свойства, чтобы атомы естественным образом организовались в идеальную квазикристаллическую структуру?

Принстон, январь 1985 года

Джош Соколар вызвался поработать со мной над этим сложным вопросом. Он уже проявил свои таланты в нашей предыдущей работе по обобщению мультисеточного подхода на произвольные симметрии, и я был очень рад, что он захотел принять участие в более крупном проекте. Высокий долговязый Джош своим присутствием всегда вызывал ощущение спокойствия и задумчивости, что было довольно неожиданно для такого молодого человека. Я всегда чувствовал, что нахожусь в одном шаге от перевозбуждения и что Джош привносит в наши дискуссии ощущение покоя. Он также обладал исключительной геометрической интуицией, сослужившей нам бесценную службу тогда и вообще на протяжении всего нашего весьма плодотворного и продолжающегося по сей день сотрудничества.

Для поиска новых идей мы с Джошем решили вернуться к пенроузовским замощениям. Мы заметили, что правила совмещения Пенроуза для двумерных узоров включают два других свойства, которыми не обладали широкие и узкие ромбоэдры, изучавшиеся нами с Довом. Первым отсутствующим элементом были линии Амманна – широкие и узкие каналы, которые появлялись, когда ромбы с нанесенными на них полосами складывались в мозаику Пенроуза. Мы с Джошем решили ввести в нашу геометрическую конструкцию трехмерный аналог линий Амманна и назвали его “плоскостями Амманна”. Вторым недостающим элементом были правила дефляции-инфляции – процедуры для разделения двух ромбов в замощении Пенроуза на более мелкие части.

Мы с Джошем предполагали, что альтернативный набор строительных блоков, обладающий всеми тремя свойствами – правилами совмещения (замками), амманновскими плоскостями и правилами дефляции-инфляции, – может раскрыть секрет того, каким образом реальные атомы в жидкости соединяются при образовании квазикристалла. Плоскости Амманна и правила дефляции-инфляции могли служить объяснением того, как атомы, начав с какого-то случайного образования, организуются в четком квазипериодическом порядке, а правила замков, которые разработали мы с Довом, могли помочь в объяснении того, каким образом атомы остаются зафиксированными в этой конфигурации.