доменные стенки

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара то появляются, то исчезают — похожая борьба идёт в двумерных материалах. Здесь электроны одновременно и создают магнетизм, и пытаются его погасить.

В 1929 году Эдвин Хаббл навёл телескоп на далёкие галактики и обнаружил: они разбегаются. Девяносто лет спустя два измерения скорости этого разбегания — по древнему свету и по близким звёздам — упрямо не сходятся. Расхождение в 9% не спишешь на погрешность. Словно Вселенная в детстве и в зрелости живёт по разным часам. Представьте детские качели.

Кольцо собрали из нескольких разных кусков. В каждом куске частицы ведут себя по-своему — как музыканты с разными нотами. Самое интересное начинается на стыках: здесь частицы часто застревают, словно эхо, запертое в узком коридоре. Это явление называют скин-эффектом — частицы скапливаются у границы, как толпа у выхода. Но авторы заметили кое-что новое.

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.

Кипящая вода в кастрюле — вот с чего стоит начать. Пузыри пара всплывают, лопаются, и поверхность успокаивается. Примерно так же в первые мгновения жизни Вселенной могло вести себя особое поле, заполнявшее пространство: в нём надувались и сталкивались пузыри новой фазы — как островки пара в жидкости.

В первые мгновения после Большого взрыва космическое нарушение симметрии разделило горячую плазму на области с разными вакуумами — наинизшими энергетическими состояниями поля.

Стеклянные линзы и зеркала кажутся идеально гладкими и неподвижными. Но внутри них кипит скрытая жизнь. Атомы в аморфном материале (веществе без кристаллической решетки) упакованы беспорядочно, и эта неразбериха создает сложный ландшафт энергии — как горная страна с бесчисленными холмами и долинами. В таких материалах всегда есть дефекты — места, где атомы сидят неудобно.

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.

После Большого взрыва Вселенная пережила череду фазовых переходов — как вода, превращающаяся в лёд, но с непредсказуемыми узорами. При нарушении дискретных симметрий в квантовых полях рождались доменные стенки — границы между разными вакуумами, подобные шрамам на теле пространства-времени.

В 1981 году Алан Гут предложил сценарий космологической инфляции — молниеносного раздувания пространства, растянувшего квантовые флуктуации до масштабов целых галактик. С тех пор космологи, словно археологи, ведут раскопки этого события по структурам Вселенной.

В первые мгновения жизни Вселенная напоминала бурлящий котёл. При остывании в ней происходили фазовые переходы — примерно как пар превращается в воду, только вместо молекул менялось само состояние пространства. В этом котле рождались пузыри новой фазы, похожие на пузырьки в закипающей кастрюле.

Если сжать воду между двумя стёклами так, чтобы поместилось всего два слоя молекул, она превращается в нечто среднее между жидкостью и льдом. При комнатной температуре молекулы в такой ловушке ещё двигаются, но уже выстраиваются в подобие кристаллической решётки.

Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Но одна из волн вдруг не расходится, а прилипает к невидимой складке на поверхности и бежит только вдоль неё. Нечто похожее обнаружили физики, когда заново просчитали встречу света с аксионной доменной стенкой — узкой областью, где поле меняет знак, как горный хребет разделяет два склона.

Четырнадцатого мая 2019 года детекторы LIGO зарегистрировали гравитационный всплеск, который не вписывался в обычные рамки. Событие GW190521 предстало как столкновение двух чёрных дыр массами 85 и 66 солнц. Итоговая дыра в 142 солнечные массы угодила прямо в «запрещённый» диапазон — туда, где звёздные коллапсы почти не оставляют следов.

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.

Резиновая лента, которая становится тем толще, чем сильнее её тянешь. В электричестве такое поведение называют отрицательной ёмкостью: чем больше заряда накапливается на обкладках, тем меньше напряжение. Обычный конденсатор работает наоборот — напряжение растёт вместе с зарядом.

Вселенная расширяется, и в её истории есть два удивительных эпизода, которые пока не укладываются в простую картину. Первый — короткий период в молодости, когда всё разлеталось быстрее, чем ожидалось, словно кто-то нажал педаль газа. Второй — сегодняшнее ускорение, будто та же педаль снова утоплена, но уже мягче.

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.

Сверхпроводник проводит ток без сопротивления — как вода, бегущая по трубе без трения. Секрет в электронных парах: два электрона слипаются в одно целое, хотя обычно отталкиваются. В обычном сверхпроводнике спины электронов в паре смотрят в разные стороны — это синглетное состояние. Его можно сравнить с двумя фигуристами, которые кружатся спина к спине.

Воздушный шарик сдувается не весь сразу: сначала на нём появляются вмятины, которые бегут, сливаются, и в конце шарик сморщивается в точку. Примерно так же ведут себя доменные стенки — тонкие перегородки, разделявшие пространство в первые мгновения после Большого взрыва.

Огромный слоёный пирог, где слои теста — это пространство, а начинка — особая область, похожая на невидимую стену. Эта стена не из кирпичей, а из энергии, и она может быть толщиной с целую Вселенную. Если такая стена существует, она должна по-разному растягивать слои теста: те, что лежат вдоль неё, раздвигаются быстрее, а те, что поперёк, — медленнее. Именно такую картину проверили авторы работы.

Загадка тёмной материи, впервые замеченной в звёздных водоворотах Веры Рубин, терзает физику без малого век. Одна из самых дерзких гипотез — первичные чёрные дыры, родившиеся в раскалённом бульоне ранней Вселенной. Обычно их появление связывают с квантовыми флуктуациями во время инфляции, требующими тонкой настройки параметров.

Первое, что приходит на ум при мысли о рождении Вселенной, — взрыв. Но современная космология рисует более изысканную картину: рождение сквозь горлышко винного бокала. Эта геометрия — не фантазия сомелье, а строгая форма евклидовой кротовой норы, которая связывает два анти-деситтеровских мира.

Вселенная — не пустота, а огромный кристаллический шар, пронизанный невидимыми границами — доменными стенками, застывшими после фазовых переходов.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Они отражаются от берега, накладываются друг на друга, гаснут. Всё это движение разворачивается в пространстве. Но что случится, если сам пруд на миг изменит глубину или плотность — не в одной точке, а повсюду и сразу? Временная граница — это именно такой скачок свойств во времени, а не в пространстве.

В кастрюле с кипящим супом бурлящие потоки выносят тепло к стенкам, и суп остывает. В токамаке — огромной магнитной бутылке для плазмы — происходит то же самое: вихри турбулентности уносят энергию наружу, мешая зажечь термоядерную реакцию. Но иногда плазма словно сама находит способ успокоиться.

Магнит с единственным полюсом — северным, без южного — это не обломок, а отдельная частица. Её называют магнитным монополем (носителем одного магнитного заряда). Рождение таких гостей возможно в ранней Вселенной, когда силы только разделялись. А рядом с ними могло существовать поле аксионов — невидимых и почти невесомых частиц, из которых, вероятно, состоит тёмная материя.

Обычные магнитные измерения видят только поверхность сверхпроводника, где мешают барьеры и вязкие потоки магнитного поля. Внутри же, в так называемом промежуточном состоянии, сосуществуют сверхпроводящие и нормальные домены, разделённые тонкими стенками. Эти стенки могут колебаться, но услышать их напрямую было трудно.

Обычный кристалл — как многоквартирный дом: электроны в нём движутся по общим коридорам и лестницам, влияя друг на друга через стены. А теперь уберём все стены, оставив одну-единственную линию квартир. Как поведут себя жильцы? Водород тут ни при чём, зато коллективное поведение электронов выходит на первый план.

Камертон, по которому ударили, затихает: его колебания утекают в воздух. Но бывают системы, где колебание не затухает, хотя рядом полно свободных волн, готовых унести энергию. Такие «пойманные» состояния физики называют связанными состояниями в континууме (BIC). Их предсказали ещё в 1929 году, а впервые увидели только в 2011-м.

Бросьте горсть песка на пол: крупных песчинок мало, мелких — много, а совсем крошечных — ещё больше. Такой перекос, когда маленькие события случаются часто, а большие редко, описывается степенным законом. Он встречается в размерах городов, силе землетрясений, числе цитирований научных статей.

В кристалле HfTe5 электроны ведут себя почти как свет: их масса так мала, что они подчиняются законам относительности. Если поместить такой кристалл в сильное магнитное поле, электроны начинают кружиться по маленьким орбитам. Их энергия при этом меняется не плавно, а ступеньками — как этажи в доме. При слабом поле виден один узор этих ступенек, а при сильном — другой, с особым ритмом.

В квантовом мире есть правила, которые кажутся нарушенными. Одно из них — закон сохранения: если в классической физике симметрия гарантирует сохранение заряда, то при переходе к квантовому описанию эта гарантия может исчезнуть. Такое явление называют квантовой аномалией.

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.

В кристалле металла атомы стоят ровными рядами, как кирпичи в стене. Но если выбить один кирпич, остаётся пустота — её называют вакансией. Под облучением таких пустот становится много, они начинают сливаться в большие дыры, и металл теряет прочность. Это как если бы в кирпичной стене дыры объединялись в сквозной пролом.

Стопка одинаковых блинов на тарелке — просто стопка. Но если уложить их с определённым порядком, вдруг появляется нечто новое: например, узор, который не был виден в каждом блине по отдельности. Похожий трюк проделали физики с тонкими слоями материалов. Топологические состояния обычно связывают с особыми материалами, где электроны или волны ведут себя необычно на поверхности.

Две частицы держатся друг за друга, как альпинисты в одной связке, и летят на стену. Ударятся — отскочат вместе или связка порвётся? От чего это зависит? Физики рассмотрели самый простой случай: всё происходит на одной прямой, частицы притягиваются только когда находятся в одной точке, а стена абсолютно твёрдая.

Нейтронная звезда — это спрессованный остаток массивного светила: вещество в ней сжато до такой степени, что его гора размером с напёрсток обладает колоссальной плотностью.

В привычном нам мире три пространственных измерения. Однако теоретическая физика допускает существование дополнительных, скрытых от прямого наблюдения направлений — компактифицированных, то есть свёрнутых до микроскопических размеров.