основное состояние

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

Почва — не сплошная губка, а лабиринт из пор разного калибра. После дождя вода заполняет их не все сразу: сначала самые узкие, потом те, что пошире. Физики построили теорию этого процесса, взяв за основу простой образ — множество сообщающихся сосудов. Перетоки между порами подчиняются законам течения вязкой жидкости, а движущей силой служит разность химических потенциалов.

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.

Гравитационно-волновые обсерватории напоминают чуткое ухо, прислушивающееся к далёким раскатам космических катастроф. Чтобы расслышать слабый шёпот сливающихся чёрных дыр, детекторы гравитационных волн используют специально приготовленный свет — его называют сжатым вакуумом.

Наша Вселенная не просто расширяется — она делает это всё быстрее. Это похоже на тесто с изюмом в духовке: изюмины удаляются друг от друга, и чем дальше они уже разлетелись, тем быстрее продолжают расходиться. Странная сила, расталкивающая космос, получила название тёмной энергии.

Мыльный пузырь висит в воздухе, и его форма уже содержит всё, что нужно для расчёта внутреннего натяжения. Похожий принцип сработал в новой работе по квантовой гравитации. Физики взяли замкнутую поверхность — аналог такого пузыря — и задали на ней несколько чисел: например, силу электрического поля и кривизну.

В оркестре один музыкант играет так тихо, что его звук почти не слышен в общем хоре. В квантовом мире такие «тихие» состояния называют тёмными — их энергия почти не уходит наружу, как свет в затемнённой комнате. Но если музыкантов много, их взаимное влияние может неожиданно пробудить даже самого молчаливого.

Кастрюля с супом, забытая на плите, остывает до комнатной температуры. Кажется, что всё пришло к покою. Но если заглянуть внутрь с квантовой лупой, окажется, что молекулы воды не замерли — они продолжают свой танец. Просто теперь этот танец стал равномерным, а не бурным, как при кипении.

Бросьте камень в пруд — по воде разойдутся круги. Если бросить два камня рядом, круги пересекутся, создавая узор из усиленных и погашенных волн. Это интерференция. В квантовом мире роль таких кругов играют волны вероятности, а способность частицы создавать интерференцию называют когерентностью.

Два тонких листа с нарисованными сотами наложили друг на друга и слегка повернули. Возникает новый узор — муар, похожий на переливы шёлка. Примерно так же повели себя электроны в эксперименте: они выстроились в два слоя, и один слой оказался повёрнут относительно другого ровно на 30 градусов.

Квантовая батарея — не ящик с химией, а цепочка крошечных магнитиков (спинов), способная запасать энергию. Её главная хитрость: заряжать сразу много частиц одновременно, используя их квантовую запутанность. Но есть подвох — не всякая запутанность подходит.

Квантовый мир похож на оркестр, где каждый музыкант — частица — играет свою партию, а вместе они создают стройную симфонию. Но стоит в зале появиться шуму — случайным щелчкам и помехам, — как мелодия начинает плыть. Долгое время считалось, что такой шум (в физике его называют декогеренцией) просто разрушает любые хрупкие квантовые состояния, превращая их в обычную классическую кашу.

Рыбак забрасывает сеть в тихую заводь. Чем длиннее верёвка, тем слабее он чувствует малейшую поклёвку — волна затухает по дороге. Но что, если бы сигнал не гас, а нарастал? Примерно такой фокус описывают авторы работы с ансамблем частиц, помещённых в поле со специальным «ступенчатым» перепадом силы.

Два фотона вылетают из одной точки в груди пациента. Они — близнецы: изменив один, мгновенно узнаёшь о другом. Такая связь называется квантовой запутанностью. При ПЭТ-сканировании эти пары рождаются внутри тела, когда введённое радиоактивное вещество встречается с электронами тканей. Степень этой запутанности не постоянна.

Квантовый вакуум — не абсолютная пустота, а, согласно стандартной модели физики частиц, физическая среда, подобная туго натянутой струне, в которой непрерывно рождаются и аннигилируют виртуальные частицы.

Две крошечные пылинки парят в перекрестье лазерных лучей. Каждая удерживается своим «пинцетом» — сфокусированным лучом, который не даёт частице упасть. Внутри зеркальной полости свет мечется между стенками, и его колебания связаны с дрожанием пылинок. Обычно такие частицы непрерывно дрожат из-за теплового движения, и это дрожание мешает увидеть квантовые эффекты.

Квантовая система может обладать свойством, которое называют магией. Это не фокусы, а мера того, насколько трудно воспроизвести её поведение на обычном компьютере. Обычные состояния — их называют стабилизаторными — компьютер считает легко. А вот состояния с магией ставят его в тупик. Проблема в том, что проверить, есть ли магия, обычно значит измерить систему вдоль и поперёк — трудоёмко и дорого.

В подвале лаборатории в Ювяскюля стоит ловушка, которая держит один-единственный атом на весу, как фокусник — шарик на кончике пальца. Атом олова-113 нестабилен: рано или поздно он ловит один из своих электронов и превращается в индий-113, испуская неуловимую частицу — нейтрино. Сколько энергии при этом выделяется, раньше знали лишь приблизительно.

Светлячки вспыхивают в тёмном лесу — видно каждую вспышку, но не видно полёта. Квантовый газовый микроскоп умеет показывать отдельные холодные атомы, как те светлячки. Но до сих пор он не мог сказать, с какой скоростью они движутся. Теперь учёные нашли способ это исправить. Они предлагают подсвечивать атомы особым образом, чтобы те как бы «отбрасывали тень» на соседние вспомогательные частицы.

Две квантовые точки — это как два крошечных кармана в куске кремния, где электрон может сидеть, как шарик в лунке. Когда карманы далеко друг от друга, каждый электрон живёт сам по себе, и его энергия похожа на уровни одинокого атома. Но если карманы сблизить, электрон начинает чувствовать соседа, и уровни расщепляются — получается подобие молекулы с общими, разделёнными состояниями.

В квантовом мире путь к спокойствию порой напоминает парадоксальный забег: стартуя дальше от финиша, система приходит к равновесию быстрее. Этот эффект — квантовый аналог явления Мпембы — обязан стремительному росту энтропии, меры беспорядка в системе. Сильный толчок в начале словно запускает лавину изменений, которая ускоряет успокоение.

В классической механике электрон, обращаясь вокруг ядра, должен непрерывно терять энергию на излучение и по спирали падать на ядро — подобно сёрферу, который, теряя скорость, соскальзывает с доски. Однако атомы стабильны на протяжении миллиардов лет. Причина в том, что космос не является пустым.

Квантовая точка — это ящик настолько маленький, что электрон внутри неё не может иметь любую энергию, а только строго определённые значения, как ступеньки лестницы. На каждой ступеньке может поместиться несколько электронов, но сколько именно — вопрос. Если ступенька двойная, на неё встанут двое, если одинарная — только один.

Квантовый компьютер напоминает слишком горячий чайник: частицы в нём носятся как попало, и нужно их успокоить, чтобы получить полезный ответ. В новой работе физики придумали, как охлаждать цепочку из 19 квантовых спинов (маленьких магнитиков) прямо на реальном устройстве.

В каждой горсти плодородной почвы живут бактерии, которые делают то, чего не умеет ни один завод: берут азот прямо из воздуха и превращают его в удобрение. Секрет спрятан в ферменте нитрогеназе, а его рабочий узел — кластер из атомов железа и молибдена — похож на крошечный заводской цех. Химики давно пытаются понять, как этот цех устроен изнутри.

Сверххолодное атомное облачко, напоминающее туман, позволяет предположить, что гравитация может отклоняться от ньютоновского закона. На окраинах галактик звёзды движутся быстрее, чем предсказывает классическая механика. Теория MOND (Modified Newtonian Dynamics) модифицирует закон тяготения на больших расстояниях, делая избыточную тёмную материю ненужной.

Крошечные магнитные стрелки внутри кристалла тербий-иридиевого оксида ведут себя странно: вместо того чтобы лечь вдоль своей любимой оси, они встают поперёк. Такое состояние полностью формируется при охлаждении до 1,5 Кельвина — это холоднее, чем в открытом космосе. Исследователи просветили кристалл нейтронами и увидели, как эти перевёрнутые стрелки колеблются и обмениваются энергией.

Горячая вода иногда замерзает быстрее холодной — это эффект Мпембы, классический парадокс, знакомый многим по кухонным экспериментам. В квантовом мире он обретает радикальное звучание: система с высокой энтропией — мерой беспорядка, словно кипящая хаотическими флуктуациями, — способна достичь равновесия несравнимо быстрее, чем система почти спокойная, чья энтропия уже низка.

Пустота не всегда пуста: она может скрывать энергию, как переохлаждённая вода скрывает лёд. Физики называют это ложным вакуумом — состоянием, которому нужен лишь толчок, чтобы лавиной перейти в истинный, более стабильный вакуум.

Охлаждённый почти до абсолютного нуля с помощью жидкого гелия, полупроводниковый диск достиг такого низкого уровня энтропии, что его тепловое дрожание стало меньше одного фонона — кванта звука, то есть минимальной порции колебательной энергии в твёрдом теле.

Всё стремится к равновесию: чай остывает, маятник затихает. Мерой этого необратимого движения служит энтропия — мера беспорядка в системе, которая, согласно второму началу термодинамики, только растёт. Но иногда горячая вода замерзает быстрее тёплой. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, — не просто курьёз из повседневности: он проявляется и в квантовом мире.

Любое разумное действие начинается с внутреннего моделирования — создания плана. Подобно архитектору, который делает множество эскизов, чтобы оценить варианты конструкции, агент, обладающий волей, должен многократно копировать и сравнивать репрезентации реальности.

Представьте оркестр без дирижёра, где каждый музыкант слышит лишь эхо зала, но вместе они рождают мощную мелодию. Так устроена квантовая батарея: множество частиц, погружённых в тёплую среду (термодинамическую систему с высокой энтропией), не рассеивают тепло, а синхронно им обмениваются. Вместо хаоса рождается упорядоченный заряд.

Два путника идут к одной цели. Один стартует ближе, но выбирает извилистую просёлочную дорогу. Другой начинает дальше, зато сразу выходит на скоростное шоссе. Второй приходит первым. В квантовой физике этот парадокс известен как квантовый эффект Мпембы: состояние, изначально более далёкое от равновесия, достигает его быстрее, чем более близкое.

В зале тишина, но дирижёр уже поднял палочку. Оркестр молчит, а партитура меняется. Так и в оптическом резонаторе: света нет, но квантовый вакуум — пустота, заполненная короткоживущими флуктуациями полей — уже дирижирует веществом. Помещённый между зеркалами материал начинает жить по новым правилам.

Представьте солиста, пытающегося слить свой голос с хором. Если хористы поют в унисон, голос солиста долго выделяется; но если хор рассыпается по широкому диапазону — от густых басов до звенящих сопрано — солист растворяется почти мгновенно. В квантовой физике роль такого хора исполняет термальная баня — массивное окружение.

Квантовая запутанность долго оставалась диковинкой — «жутким дальнодействием», по выражению Эрвина Шрёдингера, которое нарушает привычную картину мира. Но в 2008 году физики поняли: запутанность можно использовать не только для передачи битов, но и для телепортации энергии.