искривлённое пространство

В горном массиве есть тропы, которые можно сжать в точку, если идти по ровной долине. А есть кольцевые маршруты, которые невозможно стянуть, не перевалив через хребет. Физики, изучающие квантовые фазы, обнаружили, что их фазовая диаграмма устроена так же: в ней есть замкнутые пути, которые нельзя стянуть в точку, не пересекая область, где энергетическая щель исчезает.

Жидкость, обтекающая препятствие, рождает вихри и ударные волны. Описать их поведение — значит решить нелинейное уравнение, в котором скорость течения зависит от самой себя. Классические суперкомпьютеры тратят на это дни, а квантовые до сих пор почти не применялись: их естественный язык — линейные операции, а жидкость «нелинейна» по своей природе.

Брошенный камень летит по дуге и падает. Планета у звезды — тот же камень, только падает она бесконечно, огибая светило по замкнутой кривой. В ньютоновском мире эта кривая — идеальный эллипс, и планета возвращается в одну и ту же точку каждый оборот. В реальности орбита чуть-чуть проворачивается — её ближайшая к звезде точка, перицентр, смещается. Это явление называют прецессией перицентра.

В двумерной вселенной чёрная дыра похожа на воронку в пространстве-времени. Но авторы новой работы пошли дальше: они предположили, что само пространство, где «живут» импульсы частиц, тоже изогнуто — как седло. Они взяли обычную чёрную дыру BTZ (трёхмерный родственник реальных чёрных дыр) и добавили квантовую рябь в геометрию импульсов.

Забудьте плоский лист: эмбриональная ткань — это динамичный ландшафт с холмами и складками. На выпуклостях клетки растягиваются, во впадинах сжимаются — словно исполняют танец, подчиняясь законам, удивительно похожим на кривизну пространства-времени.

Два луча света встречаются в одной точке и расходятся дальше. Их пути образуют две перекрещивающиеся поверхности в пространстве-времени — нулевые гиперповерхности (границы, по которым распространяется свет). Именно на такой паре поверхностей физики умеют задавать начальные данные для уравнений Эйнштейна. Это называется характеристической задачей Коши.

Двое синхронных пловцов ныряют в море. Один попадает в штиль, другой — в водоворот. Их движения, идеально согласованные на старте, расходятся. Примерно так же ведут себя две квантовые частицы, когда одна движется в плоском пространстве, а другая — в искривлённом.

В квантовом мире свой танец. Два сверхпроводящих тороида, уютно удерживающие каждый свой квантованный магнитный поток, кружатся в синхронном вальсе. Между ними — вакуум, ни одной силовой линии, но они безошибочно вторят движениям друг друга.

Переводчик, который переводит не слова, а саму структуру разговора, сталкивается с трудностями, когда беседа выходит за пределы тихой комнаты. В привычной симуляции на пространственной решётке всё идёт по строгому сценарию. Но стоит собеседникам оказаться на шумной площади, где звук искажается эхом, а толпа постоянно меняет направление, — и сценарий ломается.

В океане водоворот затягивает всё в замкнутый круг — так же гравитационная волна в пустом пространстве скручивает время в петлю. Гравитационная волна — это рябь на ткани космоса, распространяющееся возмущение метрики пространства-времени, и её особая форма способна превратить обычный ход событий в замкнутый цикл.

В математике есть сито, просеивающее не пыль, а саму бесконечность. Его называют Q-пространством: любое множество здесь оказывается Gδ-множеством — счётным пересечением открытых, словно просеяно сквозь невиданно частую сетку.

Строитель проверяет прочность арки не тем, что прокручивает в голове все возможные её формы, а тем, что слегка мысленно её сдвигает и смотрит, сколько сил при этом тратится. Примерно так устроен принцип виртуальной работы в механике. Авторы новой работы перенесли этот подход на саму геометрию пространства-времени. Они построили ковариантную структуру виртуальной работы для метрики.

Бросили горсть фосфора в кремний — и при некоторой концентрации примеси материал вдруг начинает проводить ток. Это фазовый переход металл-изолятор, и он происходит скачком. Но что именно меняется в волновых функциях электронов, когда изолятор становится металлом? Ответ можно вытащить из того, как вещество поглощает свет.

Время — штука капризная. Внутри массивной звезды оно течёт спокойно, как песок в старых часах на каминной полке. А снаружи, в масштабах всей Вселенной, оно растягивается вместе с пространством — будто те же часы попали в лифт, который то ускоряется, то замедляется. Долгое время физики ломали голову: можно ли склеить эти два мира так, чтобы швов не было видно? Авторы новой работы взяли два куска пространства-времени.

Обычно кротовую нору представляют как тоннель в пространстве, стенки которого удерживает нечто необычное — материя с отрицательной энергией. Вроде подпорок в шахте, которые не дают сводам обрушиться. Но в этой работе физики обошлись без подпорок.

Есть библиотека, где вместо книг — все мыслимые комбинации нескольких десятков квантовых частиц. Число этих комбинаций растёт как снежный ком: добавьте одну частицу — и объём удваивается. Для полусотни частиц полок уже больше, чем атомов в видимой Вселенной. Раньше считалось, что искать в этом хаосе состояния, пригодные для сверхточных измерений, — всё равно что выиграть в лотерею.

Почти век астрономы наблюдают, как галактики вращаются, словно их удерживает невидимая масса. Первым это заметил Фриц Цвикки, изучая движение галактик в скоплении Кома, а Вера Рубин точно измерила скорости звёзд на окраинах спиральных галактик, обнаружив, что они остаются высокими, а не падают, как предсказывала видимая материя.

В середине XX века Роджер Пенроуз описал чёрную дыру через понятие «ловушечная поверхность» — замкнутую область, где даже луч света, направленный наружу, неумолимо падает к центру. Ситуация, знакомая каждому: вода в воронке раковины безвозвратно уносится в слив.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Голография — это идея, что всё происходящее внутри объёма можно записать на его границе, как изображение на голограмме. В физике это помогает связывать гравитацию с квантовым миром. Но иногда из голографических правил не получается собрать привычное пространство-время, и учёные ищут, где именно ломается механизм.

В сверхпроводнике электроны объединяются в пары, словно танцоры, взявшиеся за руки. Обычно расстояние между ними — размер пары — зависит от того, как быстро они движутся и насколько сильно связаны. Но иногда танцпол почти исчезает, и двигаться некуда. Такое случается в материалах с плоскими энергетическими зонами: здесь электроны почти замирают, и привычные правила перестают работать.

Свет, чью электромагнитную природу впервые описал Максвелл, в разных средах ведёт себя по-разному. В новом исследовании учёные смоделировали двумерный кристалл, который одновременно поглощает свет и обладает магнитными свойствами.

Согласно Эйнштейну, пространство-время — это гибкая ткань, искривляемая веществом. Но в квантовом мире всё иначе: частицы размазаны по облаку вероятностей, а правит ими правило, открытое Максом Борном (оно связывает волновую функцию частицы с вероятностью её обнаружения).

Лазерный луч удерживает одиночный ион в вакууме, и этот ион ведёт себя как шарик, запертый между двумя лунками. Лунки — это не ямы в земле, а области, где иону энергетически выгодно находиться. В классическом мире шарик скатился бы в одну из лунок и остался там. В квантовом мире ион размазан по обеим лункам сразу и время от времени проскакивает сквозь разделяющий их барьер.

Наука похожа на город, где улицы прокладывают сами жители. Там, где уже протоптаны тропы, строят новые дома, а нетронутые пустыри остаются незамеченными — не потому, что там нельзя строить, а потому, что никто туда не заглядывает. В науке такие пустыри — это направления, которые логично вытекают из уже известного, но не приходят в голову учёным, потому что у каждого своя узкая специализация и привычные методы.

Каждый кубит — квантовый бит информации — представлен замкнутым кольцом, свободно скользящим по поверхности тора (фигура, похожая на бублик). Вся квантовая логика сводится к плавным топологическим движениям: сдвиг вдоль поверхности, переворот, соединение траекторий.

Два, казалось бы, несовместимых математических языка описывают единую квантовую реальность. Первый — язык квантовых блужданий: здесь частица (например, электрон или даже квазичастица в конденсированной среде) совершает прогулку по графу, одновременно исследуя все возможные пути — подобно тому, как пешеход в незнакомом городе мгновенно оказывается на…

Обычная чёрная дыра — гравитационная ловушка, из которой ничто не может вырваться. Однако вращающаяся чёрная дыра, описываемая решением Керра, устроена принципиально иначе: в её центре находится не точечная сингулярность, а кольцо бесконечно сжатой материи — кольцевая сингулярность.

Открытые системы непрерывно обмениваются энергией с окружением — подобно гитарной струне, чьи колебания затихают в воздухе, отдавая энергию среде. Учёные построили такую систему из света, заставив лучи закручиваться штопором — приобретать орбитальный угловой момент — и формировать искусственную решётку, своего рода лабиринт, где можно управлять потерями на каждом шагу.

В 2019 году телескоп Event Horizon подарил человечеству первое изображение тени чёрной дыры. С тех пор астрофизики мечтают о большем: увидеть, как вещество движется в самой воронке пространства-времени. Одна из загадок — хаос. Теория предсказывает, что орбиты частиц у чёрной дыры могут быть регулярными, как сердцебиение, или хаотическими, как шум.

Электрон, скользящий по невидимым холмам и впадинам, которые создаёт спиновая текстура, — так выглядит новая глава в физике конденсированного состояния. В квантовых материалах с плавно меняющимся направлением локализованных спинов (спиновая текстура) электрон перестаёт быть просто частицей, летящей сквозь решётку.