ДЕЯКІ ФІЛОСОФСЬКІ ТА МЕТОДОЛОГІЧНІПРОБЛЕМИ ЦИКЛУ «ЕЛЕМЕНТАРНІСТЬ/ЦІЛІСНІСТЬ- СКЛАДЕНІСТЬ»
У випадку наявності складників реалії розглядаються з точки зору їх складеносгі із інших реалій. Останні вважаються такими, що самостійно існують, та здебільшого просторово розділеними.
Власне, так міркували перші атомісти або їх колеги-натур- філософи285, які вважали, що в основі світу лежить кілька стихій (у цьому сенсі байдуже скільки їх «насправді»)286. З розвитком науки з’ясувалося, що формула «складається з» є, принаймні, неточною, оскільки не враховує дефект маси287, який, у свою чергу, є наслідком еквівалентності маси та енергії (Е = тс2 — славнозвісна формула Айнштайна) в нерухомій системі відліку288. Тобто, не зважаючи на те, що фізичні дослідження свідчать про певну, притаманну кожному об’єктові складеність: атомарну289, молекулярну290, ядерну291 та нуклонну292, вона не зводиться до простої суми компонентів. Тому складене бачення світу є важливим, але має бути доповненим додатковими підходами до досліджуваних реалій.Наприклад, згідно із сучасною фізичною теорією «кольорового конфайнменту»293, кварки як складники адронів неможливо спостерігати поза адронами. Але вивчення властивостей кварків відбувається при моделюванні їх як реалій, які ідентифікуються як незалежні одна від одної. Причому ці реалії постійно переходять одна в одну, залишаючись при цьому кварками. Це схоже на функціонування триликого індуїстського бога Брахми- Вішну-Шиви. Кожний його лик відповідає за його певну функцію: Брахма відповідає за створення, Вішну — за підтримку, а Шива — за руйнування світу294.
Іншою важливою обставиною, тісно пов’язаною з незвідніс- тю складеної фізичної, хімічної або біологічної реалії до простої суми її складників, є поява індивідуальності мезоскопічних295 та макроскопічних тіл, попри принципову тотожність мікрочастинок та неможливість їх розрізнити296.
Ця індивідуальність зразків, які містять достатньо велику кількість атомів, зумовлена відсутністю ідеальності складу та структури, тобто наявністю дефектів і (або) домішок, які існують протягом деякого часу, що перевищує час спостереження або дослідження об’єкта експериментатором. Натомість ідеальний нескінченний кристал, скажімо, КаСІ, який складений із двох підгратниць Ка і СІ, не відрізнявся б від іншого такого ж кристала. Проте в дійсності таких абстрактних ідеаль-
Рис. 5.15. Снігові кристали: яскраво проявляється випадкове на тлі закономірного302
них кристалів не існує297, хоча їхні складові атоми На і СІ однакові. Це можна зрозуміти хоча б із такого незаперечного факту, що всі кристалічні зразки, з якими ми маємо справу, навіть за умов ідеальності структури в об’ємі є просторово обмеженими, тобто мають поверхню. Остання, очевидно, не є ідеальним об’єктом, оскільки її властивості залежать від орієнтації, релаксації, реконструкції, сегрегації та адсорбції ззовні298.
Наведемо ще один приклад, коли погляд на об’єкт дослідження з точки зору складеності має бути доповнений додатковими міркуваннями. А саме, розглянемо відомі всім снігові кристали — сніжинки299 (рис. 5.15). Вони зовсім різні, в чому легко переконатися навіть неозброєним оком, хоча всі кристали, які мають однакову симетрію шестикутника, під час одного снігопаду виростають приблизно за однакових умов. Відрізняються вони формою самоподібних фрактальних дендритів, які виникли при зростанні кристалів300. А кожен дендрит має власну неповторну красу, бо зародження та зростання кристалів хоча й є закономірним явищем, зумовленим різницею термодинамічних потенціалів рідкого та кристалічного станів, але відбувається завдяки випадковим флуктуаційним процесам301.
Щойно ми навели кілька прикладів, які ясно показують, що, навіть виходячи з одного або двох елементів та з’єднавши їх між собою за допомогою певної взаємодії, яку (у звичній для нинішніх науковців традиції спиратися на теоретичний апарат) називаємо «законом взаємодії» та описуємо відповідною компактною математичною формулою, можемо отримати багато дуже відмінних між собою макроскопічних об’єктів.
Це явище не є випадким. Філії Андерсон звернув увагу на те, що хибним є апріорний конструктивістський підхід, коли (до реального досліджування всіх інших матеріальних рівнів) на основі фундаментальних законів взаємодії елементарних частинок прагнуть побудувати ієрархічну картину Всесвіту303. Причина полягає в тому, що симетрія, яка притаманна елементам нижчого, більш фундаментального, мікроскопічного рівня, може порушуватись та обов’язково порушується при переході до вищого рівня. Андерсон на цій підставі афористично стверджує, що «більше є іншим». Він підтверджує свій висновок на прикладі з електричним дипольним моментом. А саме, внаслідок виконання закону збереження просторової парності304, який має місце лише за відсутності слабкої взаємодії305, елементарна частинка не може мати дипольного моменту306. Водночас певні кристали (піроелектричні та сегнетоелектричні) мають електричний дипольний момент у кожній елементарній комірці своєї кристалічної ґратниці307. Таким чином, фундаментальна симетрія втрачається в кристалі. Це явище, в принципі, подібне до виникнення різноманіття сніжинок із однакових молекул води. Важливо, однак, що виникнення поляризації певного знаку в зазначених кристалах супроводжується появою поляризації протилежного знаку в інших кристалах, так що «в середньому» фундаментальна симетрія мікрорівня зберігається. Так само, якщо би ми складанням сукупності кристалів у вежу «усереднили» всі можливі чудові кристали, на кшталт зображених на рис. 5.15, то їх індивідуальність була би втрачена. Отже, складене бачення на кожному рівні об’єднання складових елементів має враховувати набуття іншої якості в повній згоді із відомим законом діалектики308.Більше того, уявлення про частинки як елементарні цеглинки реалій вищого рівня є завжди лише більш або менш справедливою абстракцією. Насправді навіть у такому простому випадку, коли розглядаються механічно сполучені гранулярні структури309, строго говорити про окремі складові не доводиться.
Купа піску не є сукупністю окремих піщинок, оскільки кожна піддається пружним силам з боку сусідів. Виникає колективна поведінка купи. Ясна річ, що для мікрочастинок зміни від гуртування в макроскопічний колектив є ще більш разючими. Так, електрони в твердому тілі перетворюються на квазічастинки із іншою масою (іноді на порядки більшою або значно меншою, ніж маса вільного електрона, а іноді й з іншим знаком — так звані «дірки»)310. Окрім того, від електрон-діркового квазічастинкового континуума твердотіль- ної плазми метала або виродженого напівпровідника відбруньковується гілка колективного спектра плазмових коливань311, тобто на тлі первісних ферміонів утворюються бозонні збудження!Коли ж метал стає надпровідним, то елементарні збудження, перенормовані внаслідок куперівського спарювання (дивись нижче), взагалі поєднують у собі властивості електронів і дірок312, хоча дослідники з повною підставою вважають саме явище надпровідності наслідком спарювання вихідних вироджених електронів за рахунок обміну віртуальними квантами коливань кристалічної ґратниці.
Надпровідність є чудовим прикладом до справедливості ан- дерсонівського афоризму. Насправді, основний стан надпровідника не може бути побудований за допомогою теорії збурень, хоча малий параметр — константа електрон-фононної взаємодії — існує принаймні для надпровідників із малою критичною температурою, Тс, коли справедлива канонічна теорія видатних американських учених Джона Бардіна, Леона Купера й Роберта Шріфера (БКШ). Тобто формули для критичної температури та енергетичної щілини, яка пропорційна Т, залежать від зазначеної константи не ступеневим, а експоненціальним чином. Це означає, що трохи нижче Т не тільки елементарні збудження, а й весь стан металу докорінно змінюється, попри ті ж, майже незаймані, первісні складові: іони й електрони.
Такий примхливий характер надпровідності проявляється, зокрема, в непередбачуваності появи надпровідності в різних сполуках, сплавах і структурах.
Наведемо лише два приклади, які проілюструють тезу Андерсона, який, до речі, був одним із визнаних апостолів надпровідності313. Отже, паладій є металом, в якому спостерігаються значні магнітні флуктуації, які є антагоністом спін-синглетного куперівського спарювання — підґрунтя теорії БК0. З іншого боку, паладій, мов губка, всмоктує водень (не надпровідник у твердому стані та навіть не метал за нормального тиску), який означені флуктуації придушує та робить Рб діамагнетиком. Польський фізик Тадеуш Скошкевич зважив на це й провів дослідження, що продемонстрували перехід зразків РбН у надпровідний стан із доволі високою критичною температурою314. Наступні дослідження в різних лабораторіях світу показали, що сплави РбСи, РбАд і РбАи, які є діамагнітними не надпровідниками, всмоктуючи водень, стають надпровідниками із ще вищою температурою, ніж РбН315. Тобто поєднання двох або трьох елементів, які в надпровідний стан не переходять, сприяє надпровідності. Наявність цього факту підтверджує нашу методичну позицію, але сам він, на жаль, досі залишився не поясненим із суто фізичної точки зору.Цікавим фактом, коли нова реалія, створена з відомих елементів, демонструє зовсім неочікувані властивості, є поява надпровідності та феромагнетизму на межі розподілу між діелектричними немагнітними оксидами ЬаА1О3 і 8гТіО3316. Наявність кожного з цих станів у цьому місці стало несподіванкою, але їх співіснування теж вразило дослідників, оскільки прикладів, коли речовина є одночасно феромагнетиком та надпровідником, дуже мало317, бо, як ми зазначали вище, впорядкування спінів руйнує синглет- ні куперівські пари, які складаються з електронів із протилежними спінами й магнітними моментами318.
Наведені застереження аж ніяк не заперечують твердження про існування ієрархічних структур, де вищий рівень будується за рахунок об’єднання елементів нижчого рівня. Власне, саме такий погляд на конденсовані середовища і становить основу складеного бачення реалій.
Штучні структури подібного штибу є основою технічного прогресу та невпинно продукуються319—321, особливо починаючи з другої половини XX століття, коли шаленими темпами розвивалася електроніка322, а згодом ще й спінтроніка323. Симптоматично, що сучасні методи створення матеріалів шляхом пошарового осадження дали можливість поєднати в єдині гібридні комплекси речовини зовсім різного походження324. Існують і природні матеріали такої побудови325. Щодо Всесвіту, то структура кластерів галактик, галактик та менших сукупностей зір скоріш за все також є ієрархічною326 (рис. 5.16).Зауважимо, що незаперечне існування таких астрономічних реалій, як галактики, було доведено лише в першій третині минулого століття327. їхнє відкриття за своїм світоглядним значенням порівнюють з побудовою Коперником геліоцентричної системи світу. «Повна зміна точки зору, спричинена космологічними відкриттями 20-х років XX століття, часто забувається. Але подібно до того, як коперніканська революція звільнила розум людини від віри у центральне положення Землі, так і відкриття справжньої природи позагалактичних туманностей як окремих «острів-
Рис. 5.16. Схематичне подання еволюції від редукціоністського до конструктивістських підходів, що є певною характеристикою мезонауки329
них всесвітів» започаткувало останній фронт астрономічної подорожі до величезних регіонів космосу»328 (рис. 5.17).
Цікаво, що фазові переходи в конденсованих системах, де окіл фазового переходу характеризується нескінченним (у атомних масштабах) радіусом кореляції флуктуацій, можна розглядати, базуючись на так званій масштабній інваріантності, запропонованій американським фізиком Лео Каданоффим, що передбачає нескінченну ієрархію блокових перетворень. А саме, поблизу фазового переходу (скажімо, магнітного) об’єднання кожної вибраної достатньо маленької сукупності елементів кристалічної ґратниці (спіни розташовані в її вузлах) в блок не повинно міняти характер переходу. Повторюючи процес об’єднання, можна знаходити так звані критичні індекси, які описують поведінку параметра порядку залежно від температури та зовнішнього поля (магнітного — у випадку спінів). Більше того, ґрунтуючись на ідеях Када- ноффа, американський учений Кеннет Вільсон побудував теорію фазових переходів (згодом він отримав за це Нобелівську премію) із залученням уже відомого на той час з теорії квантових полів ме-
Рис. 5.17. Мезомасштабні сходи, що порівнюють павутину з епітаксійними композитними плівками з оксиду (верхні сходи, зліва направо). Павутиння самозбирається з (1) амінокислот до (2) агломерації кристалічних нанолістів, до (3) зшивання листів гнучкими аморфними ланцюгами, до (4) волокон, що утворюють будівельні блоки (5) павутини (нижні сходи, зліва направо). Паралельні мезомасштабні сходи епітаксіально спрямованих, самостійно зібраних оксидних композитних плівок, де (1) енергійні фрагменти в паровому шлейфі (2) конденсуються на монокристалічній підкладці (3). Зародження кристалітів відбувається з елементарних атомів у разі високого перенасичення з наступним зростанням кристалітів у фазово розділених областях. (4) Пристрої, утворені візерунковими контактами металізації, (5) з наступною інтеграцією цих пристроїв та інших пристроїв у мікросхему (знизу праворуч). Фактичні композитні оксидні плівкові структури (знизу ліворуч). Порівняння поверхонь природних конструкцій з фактичною поверхнею композитної плівки330
тоду ренормалізаційної групи, що дало змогу знаходити для конкретних систем точки фазового переходу та його характер (рід переходу)331. Ієрархічна структура в даному випадку є результатом серії однакових перетворень, що нагадує поведінку згаданих вище фрактальних реалій332.
5.17.