калибровочная инвариантность

В 2017 году гравитационно-волновые детекторы LIGO и Virgo зафиксировали гравитационную волну — колебание самой ткани пространства-времени от столкновения двух нейтронных звёзд — сверхплотных остатков массивных светил.

Квантовая цепочка напоминает гирлянду, где лампочки — это спины частиц. В идеале все лампочки горят синхронно, подчиняясь общему ритму, — это и есть симметрия. Но если отрезать кусок гирлянды, ритм может сбиться: внутри отрезка симметрия нарушается. Физики исследуют цепочку частиц с сильным взаимодействием — модель XYZ.

Квантовая частица может быть волной — и проходить сразу через два пути. Но стоит чему-то «подсмотреть», по какому пути она пошла, — волна исчезает. Этот эффект называют потерей интерференции. Обычно за подглядывание отвечают фотоны или молекулы воздуха.

Гравитация в нашем мире — это искривлённое пространство-время. Так её описывает общая теория относительности Эйнштейна. Но что происходит с гравитацией на уровне атомов и частиц, где правит квантовая механика? Этот вопрос остаётся без ответа уже почти век.

Снежинка растёт, нефтяное пятно растекается, толпа движется — уравнения для каждого случая свои. Но финал часто один и тот же: форма, скорость, узор подчиняются простой, повторяющей себя на разных масштабах схеме. Это и есть универсальность — когда за деталями прячется общий закон.

Бегун на середине дистанции вдруг переходит на шаг — не ускоряется и не замедляется, а сохраняет постоянный темп. Нечто подобное могло происходить с самой Вселенной вскоре после Большого взрыва. Эту фазу назвали «стазис» — от греческого слова «стояние».

Шарик лежит в ямке. Сам он оттуда не выкатится — нужен толчок. Но в квантовом мире частица способна просочиться сквозь барьер без лишней энергии. Этот трюк называют туннелированием. Похожий фокус может выкинуть и вакуум Вселенной: если он не самый стабильный (физики говорят «ложный вакуум»), то однажды самопроизвольно перейдёт в другое состояние.

Чем тоньше сегнетоэлектрическая плёнка, тем сильнее деполяризующее поле — диктат классической физики. Представьте карандаш, балансирующий на кончике пальца: чем короче, тем труднее удержать вертикально. Так и нанометровая поляризация норовит исчезнуть.

Когда песчинка падает на стол, её удар предсказуем. Но если сжать её до размеров атомного ядра, привычные законы гравитации ломаются — сила тяжести должна бесконечно расти. Подход асимптотически безопасной квантовой гравитации предлагает выход: на определённом масштабе, как река успокаивается после порогов, рост силы прекращается.

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.

Гравитацию обычно объясняют через искривление пространства-времени. Массивные тела продавливают его, как шар для боулинга — натянутую резиновую плёнку. Но у этого подхода есть два менее известных близнеца. В одном гравитация возникает из кручения (скрученности) пространства-времени, в другом — из его неметричности (когда меняются длины и углы при переносе).

В микромире дальнодействующие силы — гравитация или электричество — не выключаются даже на огромных расстояниях. Поэтому любая частица тянет за собой шлейф из мягких (то есть очень низкоэнергетических) фотонов или гравитонов. Этот шлейф называют «одеждой» — без него расчёты разваливаются, появляются бесконечности.

В горячей молодой Вселенной, словно в переполненном танцевальном зале, кружились магнитные монополи — частицы-одиночки, несущие только северный или только южный полюс. В обычном магните полюса всегда парой, а здесь каждый сам по себе. Теории, объединяющие все силы природы, предсказывают, что таких частиц должно было появиться огромное множество, но сегодня мы их не видим.

Кубик льда в стакане воды не просто плавает — он толкается. Молекулы воды бомбардируют его со всех сторон, и эта бомбардировка рождает силу, которую можно измерить. В физике есть похожая сила, но действует она не на лёд, а на всё, что обладает массой, и возникает не из толчеи молекул, а из информации. Её называют энтропийной силой.

Если каждую секунду проверять, где находится электрон, его квантовые свойства меняются. Это похоже на ребёнка, который играет в прятки, но его постоянно окликают по имени — он замирает и перестаёт бегать. В мире частиц такая «окликалка» — это измерение. Оно мешает частицам свободно образовывать общее квантовое состояние, или запутанность.

В первую секунду после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий котёл энергии. Пары «частица–античастица» непрерывно рождались и мгновенно аннигилировали. Однако на каждый миллиард таких пар одна частица вещества выживала — и этот ничтожный остаток стал впоследствии звёздами, планетами и, в конечном счёте, нами.

В физике элементарных частиц давно принято считать, что силы природы — электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия — подчиняются строгой симметрии, которую называют калибровочной. Она как набор правил, по которым частицы обмениваются переносчиками сил. Но откуда берутся сами правила? Обычно их вводят руками, а потом проверяют, что всё сходится.

Бросьте камень в пруд — круги расходятся, меняя масштаб волны. Примерно так же работает новая теория: она наделяет каждую частицу своим «масштабным кругом», и именно это искривление невидимого пространства оказывается источником массы.

Далекий оркестр играет симфонию, но запись полна помех. Мелодия написана для двух инструментов, однако из шума будто пробивается третий голос — тихий и незнакомый. Так астрофизики вслушиваются в гравитационные волны, пытаясь уловить малейшие отклонения от предсказаний Эйнштейна.

Портной кроит костюм, но швы топорщатся, а пуговицы не сходятся. В квантовой теории поля похожие нестыковки называют аномалиями — они появляются, когда симметрия уравнений нарушается при переходе к квантовому описанию. Обычно их исправляют, вшивая дополнительные заплатки — так называемые контрчлены Бардина-Весса-Зумино. Это ручная работа, требующая отдельного расчёта для каждой ситуации.

Представьте оркестр, где каждый музыкант играет одну и ту же ноту, — звук сливается в мощный унисон. Так рождается конденсат Бозе — Эйнштейна: множество частиц-бозонов при крайне низкой температуре переходят в единое квантовое состояние и ведут себя как одно…

Луч света летит сквозь пустоту, и его собственное «тиканье» — невидимые часы, встроенные в саму ткань пространства-времени. Физики взяли этот луч и разрешили ему измерять самого себя: гравитационное поле на луче квантуется, а роль часов играет так называемое время одевания — время, которое поле «надевает» на себя, как пальто.

Радиационный датчик в городе похож на уличного музыканта: он должен брать верные ноты, даже когда пальцы немеют от холода или инструмент нагрело солнце. Обычно такие приборы держат в тепличных условиях — с обогревом или охлаждением, иначе шкала энергии (по которой отличают безобидный калий в бетоне от опасного цезия) начинает врать.

Клетку можно отредактировать идеально, но она всё равно окажется бесполезной. Ген исправлен точно по плану, а клетка ведёт себя непредсказуемо: дрейфует, меняет судьбу, теряет безопасность. Это как починить одну шестерёнку в часах, но часы всё равно идут неправильно, потому что сбился весь механизм. Раньше на клетку смотрели как на список независимых деталей.

В младенческой Вселенной, сразу после Большого взрыва, пространство стремительно расширялось, и вакуум напоминал перегретую жидкость. Когда началось «закипание», возникли пузыри истинного вакуума.

Океан похож на слоёный пирог: сверху тёплая и лёгкая вода, снизу холодная и тяжёлая. Между слоями, на границе раздела, гуляют невидимые с поверхности волны. Они не поднимают гребни, как шторм, а медленно качают всю толщу воды — как если бы кто-то тряс огромный аквариум изнутри. Эти внутренние волны переносят энергию и тепло, перемешивают питательные вещества и влияют на климат всей планеты.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство расширялось с невероятной скоростью. Крошечная квантовая рябь, заложенная в самом принципе неопределённости, расталкивала вещество сильнее, чем любая известная сила. Эта рябь — обобщённый принцип неопределённости, или GUP.