экзотические фазовые переходы

Карта плотной ядерной материи напоминает карту дорог: линии фазовых переходов пересекаются в критических точках, как трассы в перекрёстках. До сих пор на такой карте находили два перекрёстка: ядерный жидкость-газ и деконфайнмент, где адроны распадаются на кварки.

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.

В двойной звёздной системе одна звезда перетягивает вещество с соседки. Веками оно оседает на поверхности нейтронной звезды — сверхплотного остатка погибшего светила, где чайная ложка вещества весит миллиарды тонн.

Когда две чёрные дыры сливаются, по ткани пространства-времени разбегаются круги — гравитационные волны. Но что, если на месте одной из них не привычная чёрная дыра, а нечто иное — экзотический компактный объект? Теория допускает, что у него нет горизонта событий, а есть отражающая поверхность.

Вода превращается в лёд при нуле градусов — резко, без промежуточных состояний. Нечто похожее происходит со сложностью, когда мы берём случайное квантовое состояние целой системы и смотрим только на её часть. Пока эта часть занимает меньше половины системы, её сложность растёт плавно. Но как только доля переваливает за 50%, происходит скачок.

С конца XX века астрономам известно, что разбегание галактик ускоряется, словно их подталкивает невидимый попутный ветер. Эту таинственную силу окрестили тёмной энергией — сущностью, которая, как долгое время считалось, действует подобно ровному, неизменному дуновению.

Кристаллы времени — это квантовые фазы материи, которые спонтанно осциллируют, подобно камертону с бесконечно затухающим эхом. Если обычный пространственный кристалл повторяет атомный узор в пространстве, нарушая трансляционную симметрию, то временной кристалл демонстрирует периодичность во времени, нарушая временную трансляционную симметрию.

Бросьте камешек в пруд — по воде пойдут круги. Ударьте в колокол — он загудит на своей частоте. Чёрная дыра после столкновения с другой дырой тоже «звенит», только вместо звука — дрожь самого пространства. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами (как звон, который постепенно стихает).

Огромный зал, тысяча дверей, и только одна ведёт к звёздам. Остальные заперты, а ключи не просто спрятаны — они завёрнуты в другие ключи и спутаны в клубок. Так выглядит Великий фильтр в новом прочтении: не цепочка неудач, а запутанная иерархия, где каждый шаг зависит от предыдущего нелинейно. Обычно гипотезу рисуют как лестницу: абиогенез, эукариоты, многоклеточность, разум.

Ударьте по колоколу — он отзовётся на своей ноте. Так же и чёрная дыра, потревоженная падением звезды или другой дыры, начинает «звенеть», испуская гравитационные волны. Только вместо звука — дрожь самого пространства, а вместо одной ноты — целый набор затухающих частот. Их называют квазинормальными модами.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет. Физики называют это аномальным туннелированием.

Оркестр без дирижёра играет, и вдруг — без видимой команды — скрипки начинают звучать громче, а духовые чуть смещаются по времени. Со стороны кажется, что ничего не изменилось, но внутри ансамбля произошла перегруппировка. Примерно так ведут себя небольшие физические системы при так называемых псевдопереходах третьего порядка.

Представьте чайник с закипающей водой. На границе кипения жидкость и пар сосуществуют, чётко разделённые. Но если резко поднять давление и температуру, эта граница исчезает: вещество переходит в сверхкритическое состояние — уже не жидкость и не газ, а нечто среднее, где различия стираются. Удивительно, но чёрные дыры демонстрируют похожее поведение.

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.

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.

Чёрные дыры — это космические водостоки, воронки гравитации, затягивающие вещество из окружающего пространства. Этот процесс, называемый аккрецией, не всегда проходит гладко: часть падающего газа может быть выброшена обратно в виде узких релятивистских струй — джетов.

В океане иногда возникает огромная одиночная волна, которая вырастает из ниоткуда и исчезает. Такие волны-убийцы редки, но опасны. Похожие редкие и сильные всплески бывают и в других системах — от финансовых рынков до лазеров. Проблема в том, что их трудно предсказать и тем более вызвать по заказу.

Физики сконструировали цепочку из ридберговских атомов — это атомы, у которых один или несколько электронов возбуждены на орбиты огромного радиуса, сравнимого с масштабами планетарных путей.

Временные кристаллы — экзотическая фаза материи, которая демонстрирует периодическое движение не в пространстве, а во времени, даже находясь в основном, невозбуждённом состоянии. Эту идею, напоминающую вечные часы, не требующие завода, впервые предложил Фрэнк Вильчек.

След от короткоживущей частицы похож на подпись, оставленную в детекторе. Частица рождается и распадается за мгновение, но по её следу можно восстановить характер — компактная она, как камень, или рыхлая, как снежный ком. Именно этому посвящена работа: авторы предлагают новый способ читать такие подписи. Они заметили, что у каждой частицы есть угол, который связывает её массу и время жизни.

Охота за экзолунами — поиск спутников у планет иных звёзд — напоминает наблюдение теней в театре, где прожектор то гаснет, то вспыхивает. Планета Kepler-167e, газовый гигант, обращающийся вокруг раскалённой звезды, была открыта Уильямом Боруцки и его командой.

В цепочке из холодных спинов, вытянутой вдоль одной линии, порядок и беспорядок могут сплестись в узор, который не описать привычными правилами. Два состояния вещества, два «порядка», разделяет перекрёсток, где дороги не сходятся, а расходятся.