космологический фазовый переход

Пчелиные соты, сложенные не из воска, а из атомов, — это графен, плоский кристалл толщиной в один слой. Электроны в нём напоминают бегунов на перекрёстке: где-то ускоряются, где-то замедляются, но никогда не застревают на краю. Физики называют такой лист «топологически тривиальным» — иначе говоря, края у него самые обычные, без особых свойств. Теперь выломаем из сот один-единственный атом.

Атомное ядро — не просто шарик из протонов и нейтронов. У него есть форма, и эта форма может меняться. Ядро олова-116 долго считали почти идеальным шаром: у него 50 протонов — «магическое» число, которое обычно придаёт ядру сферическую симметрию. Но новое сверхточное измерение показало иное. Физики применили метод кулоновского возбуждения.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была похожа на переохлаждённую бутылку шампанского. Кроме обычной материи в ней прятался тёмный сектор — невидимое игристое «вино» из полей и частиц, кандидатов в тёмную материю.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не безмолвной пустотой, а кипящим котлом плазмы, пронизанной звуковыми волнами. Когда температура падала, космос переживал фазовые переходы — спонтанные перестройки, рождавшие пузыри новой фазы.

История началась с нехватки массы. В 1930-х Фриц Цвикки, измеряя скорости в скоплениях галактик, первым заподозрил присутствие невидимого вещества. Позже Вера Рубин показала, что окраины спиральных галактик вращаются слишком быстро для видимой материи.

Вселенная расширяется всё быстрее благодаря тёмной энергии — загадочной субстанции, пронизывающей космос и отвечающей за ускоренное расширение. Но измерения скорости этого расширения дают противоречивые результаты. Новое объяснение: в прошлом тёмная энергия работала как тормоз, замедляя разбегание галактик, а затем переключилась на разгон.

Лёд, вода, пар — фазовые переходы, знакомые каждому. Но что происходит, если сжать и разогреть само ядро атома? Теоретики полагают, что протоны и нейтроны в нём «плавятся», высвобождая кирпичики помельче — кварки и глюоны. Получается горячая каша, которую называют кварк-глюонной плазмой.

Сжатая пружина лежит годами без движения. Кажется, она застыла навсегда, но внутри металла атомы медленно перестраиваются — и однажды пружина щелкает, переходя в новое, более свободное положение.

Внутри протона кипит жизнь. Кварки там не просто сидят — их склеивают частицы-переносчики, глюоны (от слова glue — клей). Обычно этот клей равномерно размазан, как масло по сковороде. Но когда энергии становятся огромными, глюоны начинают сбиваться в комки. Это и есть глюонный конденсат — сверхплотное состояние клеящего поля.

Надувной шар сначала раздувается медленно, а потом вдруг — всё быстрее и быстрее, словно кто-то подкачивает его изнутри. Примерно так ведёт себя наша Вселенная: галактики разбегаются с ускорением. Виновницу этого разгона называют тёмной энергией. В простейшем варианте она похожа на ровный гул — космологическую постоянную, которая не меняется со временем.

Горячий чай в морозилке не сразу покрывается льдом. Сначала в нём мечутся крошечные ледяные иголочки — возникают и тают, пока температура не упадёт достаточно, чтобы лёд схватился намертво. Примерно так же вела себя ранняя Вселенная, когда остывала и меняла своё внутреннее устройство.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из фундаментальных частиц — кварков, глюонов, лептонов, пребывавших в состоянии кварк-глюонной плазмы. По мере расширения и остывания этот суп испытывал фазовый переход, подобный кристаллизации: кварки объединялись в протоны и нейтроны.

Тёмную энергию считают врождённым свойством космоса, работающим с первых мгновений. Но новая модель предполагает, что она вела себя как вода на пороге кипения: долго оставалась незаметной, а в критический момент резко начала действовать.

Сжатая до предела пружина ломается — так и классическая теория гравитации приводит к сингулярности, точке, где кривизна пространства-времени становится бесконечной, а известные законы физики теряют смысл. Квантовая механика превращает этот конец в упругий отскок.

Через десять микросекунд после Большого взрыва Вселенная напоминала кастрюлю с кипящим бульоном. В нём плавали кварки и глюоны — частицы, из которых позже соберутся протоны и нейтроны. Бульон остывал, и в какой-то момент кварки слиплись в комочки — те самые протоны и нейтроны, из которых состоит всё видимое вещество.

Сразу после Большого взрыва Вселенная напоминала бурлящую газировку: всё пространство было заполнено пузырями. Это области нового, стабильного вакуума, подчиняющегося Стандартной модели, вытесняли прежнее нестабильное состояние — физики называют такой процесс фазовым переходом, подобным закипанию воды.

Тёмная материя — невидимый каркас космоса, гравитационно удерживающий галактики и скопления. Её существование впервые заподозрил Фриц Цвикки, изучая скорости галактик в скоплении Волос Вероники, а позже убедительно подтвердила Вера Рубин, измеряя кривые вращения спиральных галактик.

Снежинка, падая из облака, выбирает между левой и правой формой. Разница между ними почти неощутима, как дуновение ветра, но именно оно решает, какой узор вырастет. В мире элементарных частиц такое дуновение создаёт слабое взаимодействие — единственная из четырёх фундаментальных сил, которая нарушает зеркальную симметрию.