критическая температура

Кристалл йодида натрия, активированный таллием (NaI(Tl)), — своего рода фотоплёнка для невидимых частиц. Когда в него попадает гамма-квант или гипотетическая частица тёмной материи, он испускает слабую вспышку света — сцинтилляцию. Два кремниевых фотоумножителя, прижатые к торцам кристалла, регистрируют эту вспышку с двух сторон.

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

Вселенная похожа на огромный невидимый каркас. Мы не видим его напрямую, но знаем, что он есть: галактики и скопления держатся вместе именно благодаря ему. Этот каркас — тёмная материя, гипотетическая форма материи, не испускающая и не поглощающая свет, но проявляющая себя через гравитацию.

Кастрюля с очень густым и горячим клеем — примерно так выглядела ранняя Вселенная. Это был не обычный клей, а «глюонный суп»: частицы, переносящие сильное взаимодействие (глюоны), свободно носились в пространстве. Температура стояла такая высокая, что даже кварки и глюоны не слипались в протоны и нейтроны.

С тех пор как Фриц Цвикки заметил, что скопления галактик движутся слишком быстро, а Вера Рубин измерила вращение спиральных рукавов, тёмная материя остаётся главной загадкой космологии.

Раскалённый бульон ранней Вселенной остывал неравномерно. В какой-то момент в нём начали лопаться пузырьки новой фазы — как пузырьки пара в закипающей воде. Только эти пузырьки были не из пара, а из нового состояния материи, в котором частицы тёмного сектора слиплись в более крупные комки. Так и могла родиться тёмная материя.

Космологическая кухня полна невидимых ингредиентов. Тёмная материя, словно невидимый каркас, удерживает галактики от разлёта, а тёмная энергия, как дрожжи в тесте, заставляет пространство расширяться всё быстрее.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

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.

Когда массивная звезда исчерпывает топливо, её ядро схлопывается под собственной тяжестью. Внутри образуется чёрная дыра — область, где гравитация настолько сильна, что даже свет не может выбраться. Долгое время считалось, что в самом центре скрывается точка бесконечной плотности — сингулярность.

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.

Нейтронная звезда — это мёртвое ядро массивной звезды, сжатое до размеров города. Чайная ложка её вещества весит как гора. Сквозь такую плотную среду частицы тёмной материи пролетают почти свободно, но иногда всё же ударяются о нейтроны и застревают, словно пули, вязнущие в толще песка. Осев в центре, они отдают энергию — и звезда чуть нагревается.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

В центре чёрной дыры находится сингулярность — точка, где пространство-время под действием гравитации сминается бесконечно, а известные нам законы физики теряют предсказательную силу. Чёрные дыры способны менять своё состояние, подобно тому как вода замерзает или закипает — это фазовые переходы.

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.

Горячая цепочка атомов, выстроенных в линию, ведёт себя как крошечная чёрная дыра. Такая цепочка — это ряд частиц, каждая из которых похожа на крошечный магнит. При обычной температуре магнитики хаотично переворачиваются, но если их охладить, они выстраиваются в едином порядке. Физики обнаружили, что при нагреве эта простая система повторяет странные свойства чёрных дыр.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Нейтронная звезда — это остаток взорвавшейся звезды, сжатый до размеров города. В её ядре вещество спрессовано так плотно, что чайная ложка такого вещества весила бы как гора. При такой плотности, как предсказывает теория сильных взаимодействий, у частиц появляются «двойники» — партнёры по чётности.

В середине XX века астроном Вера Рубин обнаружила, что звёзды на окраинах галактик движутся слишком быстро — их удерживает невидимая масса.

Магнитная плёнка, разбитая на крошечные ячейки-стрелки, ведёт себя как толпа на площади. Пока холодно, все стрелки смотрят в одну сторону — идеальный порядок. Нагрейте плёнку, и стрелки начнут метаться, как прохожие, потерявшие цель. Где-то между этими крайностями есть момент, когда система перестаёт быть однородной, но ещё не рассыпается в случайный шум.

Внутри некоторых материалов электрический ток течёт без малейшего сопротивления. Это сверхпроводники, и они работают только при сильном холоде. Оксиды меди — особый случай: они сохраняют сверхпроводимость при температурах повыше, но почему — загадка уже сорок лет.

Свет от крошечных кристаллов перовскита — как выступление хора, где голоса звучат то по одному, то стройным дуэтом. Раньше такой дуэт удавалось услышать только при сильном охлаждении, почти до космического холода. Теперь хор запел при комнатной температуре.

Клетка из шестидесяти атомов углерода, похожая на футбольный мяч, впускает внутрь маленькие молекулы. Углеродные шарики-фуллерены уложены в кристалл, как апельсины в ящике, — между ними остаются пустоты. В эти пустоты при нагреве до 570 градусов Цельсия и давлении в 30 атмосфер проник водород.

Охлаждение часто ассоциируется с наведением порядка: при замерзании молекулы воды выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку. Однако в квантовом мире снижение температуры способно порождать порядок куда более причудливый.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила краткий, но бурный период — инфляцию, когда она расширялась с колоссальной скоростью. Эту концепцию выдвинул Алан Гут. Тогда же в стремительно остывающем космосе родились частицы обычного вещества.

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.

Термометр, погружённый в образец, обычно сообщает лишь температуру. Но если температура слегка колеблется, а образец отвечает с запаздыванием, в этом отклике скрывается больше: мнимая часть теплоёмкости, которая, как выяснилось, умеет слышать квантовое эхо времени.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.