теорема Голдстоуна

Квантовая теория поля — это язык, на котором физики описывают элементарные частицы и их взаимодействия. Авторы работы решили немного «подправить» этот язык — ввели деформации, то есть небольшие изменения правил игры.

В ранней Вселенной, когда она остывала после Большого взрыва, могли возникнуть дефекты — похожие на трещины во льду. Один из таких дефектов — глобальный монополь, крохотный сгусток поля, где энергия заперта в узел. Когда монополь и его антипод встречаются, они аннигилируют, как капля и пузырёк, и излучают волны — безмассовые частицы, родственные тёмной материи (их называют NG-бозонами).

В кристалле электроны распределены не как попало. Их волны подчиняются симметрии решётки — как рябь на воде приобретает форму брошенного в неё обруча. Новая работа показывает: в точках высокой симметрии эта рябь обязана иметь узлы — места, где электронная плотность строго равна нулю.

Ранняя Вселенная напоминала стремительно остывающий океан. При колоссальных температурах всё было единым — кварки, электроны, взаимодействия сливались в симметричный «пар». Но по мере расширения и охлаждения этот пар конденсировался, фазовые переходы сменяли друг друга, словно вода превращается в лёд.

Мозаика из квадратов и треугольников покрывает пол без щелей, но не складывается в простой повторяющийся рисунок. Такой узор — это квазикристалл, твердое тело, где атомы расставлены не периодически, а по рисунку из нескольких волн разной длины. Волны эти несоизмеримы друг с другом, и вместе они создают дальний порядок.

10⁻¹²⁰. Это не просто малое число — это пропасть. Именно столько составляет отношение плотности тёмной энергии к планковской плотности, естественному масштабу квантовой гравитации. Колоссальная разница в сто двадцать порядков долго казалась неразрешимой загадкой. Но, возможно, разгадка кроется в спектакле, разыгранном на заре времён.

В 1984 году мир кристаллографии перевернулся: в сплаве алюминия и марганца обнаружили острые дифракционные пики с симметрией пятого порядка – словно природа насмехнулась над строгими теоремами, запрещавшими повторяющимся узорам иметь оси 5, 8, 10 или 12.

Бозонные звёзды — это гравитационные атомы. Только вместо электрического заряда ядром служит сама гравитация, удерживающая облако скалярного поля в квантованных сгустках. Ещё в 1930-х Ф. Цвикки заподозрил нехватку видимой массы в скоплениях галактик, а В.

Тонкая магнитная плёнка похожа на строй солдатиков с крошечными магнитными стрелками. В плоском мире тепловые толчки быстро сбивают этот строй — малейший нагрев разрушает порядок. Так работает запрет Мермина–Вагнера: в двух измерениях непрерывная симметрия не выживает при конечной температуре.

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.

Два облака ультрахолодных атомов, почти замерших при температуре в несколько нанокельвинов, смешиваются в ловушке. Одно облако состоит из лёгких атомов, другое — из тяжёлых. Они по-разному толкаются друг с другом. Физики давно умеют описывать такие смеси простыми уравнениями, но те работают, только если атомы идеально одинаковы.

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.

Камень падает в пруд — и по воде разбегаются круги. Длинные волны и короткие движутся с одной скоростью: так ведёт себя обычный звук почти в любой среде. Но в квантовых жидкостях всё может быть иначе. Физики рассмотрели сверхтекучую жидкость, где частицы движутся по «плоской» энергетической полосе.

В самом начале, спустя мгновения после Большого взрыва, Вселенная была устроена до смешного симметрично: частиц и античастиц — поровну. Но случился перекос, крошечный, как одна лишняя песчинка на килограмм сахара, и весь привычный нам мир — звёзды, планеты, люди — возник из этого избытка. Как именно природа устроила этот перевес, до сих пор загадка.

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.

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.

Мыльный пузырь, в котором заперто электричество, а стенки сделаны из невидимого поля — примерно так выглядит чёрная дыра с «резонансными волосами». Это не настоящие волосы, а облако скалярного поля, которое удерживается вокруг дыры за счёт собственных взаимодействий. Само поле похоже на невидимую упругую пену: оно не разлетается, потому что его частицы слегка притягиваются друг к другу.

Поток электронов влетает в плазму, как струя воды бьёт в спокойный пруд. Струя возмущает поверхность, рождая волны, которые быстро растут и перемешивают воду. В плазме такой процесс называется неустойчивостью Бунемана: электронный пучок раскачивает колебания, которые затем рассеивают его энергию.

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…

Долгое время космологи не могли заглянуть за точку начала — бесконечно плотную сингулярность Большого взрыва, где уравнения общей теории относительности Эйнштейна теряют предсказательную силу.

Короткий лазерный импульс бьёт по кристаллу — и тот отзывается не одним звуком, а целой лесенкой частот, отстоящих друг от друга на одинаковый интервал. Так рождается фононная частотная гребёнка — явление, которое физики исследуют в материале с необычным внутренним устройством.

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.

Вода в стакане успокаивается, если перестать её мешать. Масло в двигателе гасит вибрации. Кажется, вязкость — это всегда про затухание. Но в некоторых потоках всё наоборот: добавь трения — и волны начинают расти, как будто из ниоткуда. Физики нашли простое объяснение. У таких систем есть скрытый запас энергии, запертый особой симметрией — она называется PT-симметрией.

Современные телескопы фиксируют: далёкие галактики разлетаются всё быстрее. Причину этого ускоренного расширения называют тёмной энергией — таинственной субстанцией, создающей антигравитационное отталкивание, но её природа оставалась загадкой. К тому же, расчёты скорости разлёта в ранней и поздней Вселенной не совпадают, указывая на пробел в нашем понимании.

В семействе вольфрамовых бронз один материал считался тихоней. При охлаждении его собратья перестраивают свои электроны в волнообразный узор, а он — нет. Так думали до недавнего времени. Теперь выяснилось: перестройка есть и у него. При температуре 290 К — чуть ниже комнатной — в моноклинном соединении (одна из форм кристалла) возникает волна зарядовой плотности.

В квантовом мире объект может находиться в нескольких местах одновременно — это явление называется суперпозицией. Однако в повседневности мы видим вещи строго на своих местах. Причина — гравитация.

Мозаика Пенроуза — это покрытие плоскости двумя типами плиток, которое никогда не повторяется, создавая апериодический узор. Открытая Роджером Пенроузом как математический курьёз, она неожиданно нашла физическое воплощение в квантовом мире.