узлы

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 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.

Коллаген — это структурные белки, из которых сплетены наши сухожилия, кожа и кости. Каждая молекула коллагена — пучок из трёх полипептидных цепей, скрученных в тройную спираль, как три нити в канате. До сих пор никто не наблюдал напрямую, что происходит с этими нитями, когда мы тянем за канат.

Горсть монет падает на стол — орёл и решка ложатся как попало. Так же выглядит мгновенный снимок квантовой цепочки: в одних местах частица есть, в других нет. Но за беспорядком прячется строгий угол. В работе взяли цепочку из частиц, замкнутую в кольцо. Её поделили на четыре дуги: две измерили, две оставили нетронутыми. По занятым и пустым местам в измеренных дугах вычислили угол δL.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

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.

Карусель не просто кружит вас по кругу — при каждом обороте она ещё и слегка ввинчивается в землю. Это движение, похожее на штопор, и есть суть NUT-заряда — особого свойства пространства-времени, которое физики изучают с середины прошлого века.

Две нити висят в пространстве. Одну обводят вокруг другой — физики называют это плетением. Долгое время считалось, что правила такого танца жёстко заданы числом измерений. Но авторы работы обнаружили новый манёвр: особый вид плетения, который работает в пространстве на одно измерение меньше, чем обычно.

Притушите свет. На сцену выходит театр теней, где всего r кукловодов — но ширма живёт по законам гиперболической геометрии. Каждый взмах руки рождает узор, который математики называют дискретной группой изометрий.

Лист резины сжимают с двух сторон. На первый взгляд — обычная деформация. Но внутри, в глубине материала, пробуждается скрытый порядок. Это не просто складки на поверхности. Это рождение особых зон, где вибрации оказываются запертыми, словно в ловушке. Раньше считалось, что такие эффекты требуют хитроумных решёток и периодических структур.

Многие передовые расчёты в физике упираются в каменную стену — их тормозит не недостаток идей, а арифметика. Речь об интегралах, которые выражают вероятность столкновения частиц или форму всплеска гравитационных волн. Чтобы получить число, эти интегралы нужно упростить — свести к горстке «мастер-интегралов», похожих на таблицу умножения.

Брошенный камень летит по плавной дуге — его путь легко предсказать. Но если камень подпрыгивает на воде, траектория становится ломаной и куда интереснее. Примерно так же ведут себя квантовые частицы, когда их состояние — не спокойная волна с фиксированной энергией, а бурная смесь нескольких волн сразу.

Свет от обычной лампочки кажется совершенно беспорядочным: волны в нём колеблются несогласованно, словно толпа, где каждый идёт в свою сторону. Такой свет называют некогерентным. Долгое время считалось, что изящные топологические структуры — узлы, кольца, зацепления — можно создавать только в когерентном лазерном свете, где все волны идут в ногу.

Длинную нитку замкнули в кольцо и завязали на ней узел. Узел скользит по нити, пока не упрётся во что-то. А теперь нитка состоит из двух разных участков: один жёсткий и скользкий, другой — мягкий и липкий. При нагревании липкий участок размягчается, и узел может сползти с него, как санки с подтаявшей горки.

В первые мгновения жизни Вселенной пространство было наполнено горячей плазмой, где частицы возникали и пропадали, словно пузырьки в кипящей кастрюле. Следы этих процессов, растянутые расширением до гигантских размеров, хранятся в реликтовом излучении — древнем свете, дошедшем до нас сквозь миллиарды лет.

Клетка, которая собирается разделиться, сначала намечает на себе талию. Под её оболочкой, в тонком геле из белковых нитей, начинается движение. Нити текут, как медленная река, и в середине клетки образуется пояс. Этот пояс сжимается всё сильнее, пока клетка не перешнуруется пополам. Учёные построили компьютерную модель этого процесса.

Гибкую полимерную нить, замкнутую в кольцо, поместили в микроскопический объём с жидкостью. Такая система способна либо поглощать воду и набухать, подобно губке, либо выталкивать влагу и сжиматься в плотный клубок. Переключение между этими состояниями определяется наличием и типом узла на нити.

Капля воды с крошечными частицами высыхает на столе. Вода уходит, а частицы остаются и выстраиваются в узор — как песок после отлива. Но если частицы мягкие, узор получается совсем другим. Исследователи изучили этот процесс под микроскопом, меняя только одно свойство частиц: их упругость.

Обычная резиновая полоска, начинённая мелкими железными опилками, в магнитном поле не просто изгибается — она завязывается в устойчивый узел. Такой эффект предсказали и воспроизвели в эксперименте физики, работавшие с магнитоактивным эластомером: силиконовой основой с частицами карбонильного железа.

Внутри куска магнитного материала спины электронов — крошечные магнитные стрелки — обычно выстраиваются в простые узоры. Иногда они закручиваются в вихри, как вода в воронке, и эти вихри могут завязываться в узелки. Раньше такие узелки, названные хопфионами, удавалось получить только в образцах особой формы, вырезанных с ювелирной точностью. Теперь исследователи нашли способ проще.

Хлопните по днищу консервной банки — оно вогнётся внутрь и останется таким. Нажмите снова — выгнется наружу. Это бистабильность: у системы два устойчивых состояния, как у выключателя света. Упругая арка — простейший пример такой системы. Она может быть выгнута вверх или вниз, и чтобы переключить её, нужно приложить усилие.

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.

Горсть магнитных шариков, если их встряхнуть, слипается в комки. Но добавьте к магнитам пружинки, которые расталкивают шарики на расстоянии, — и комки распадутся на ровные островки. Примерно так ведут себя частицы, о которых идёт речь в новой работе: они притягиваются вблизи, но отталкиваются издалека. Авторы просчитали на компьютере миллионы вариантов такого «клея с пружинами».

Открытые системы непрерывно обмениваются энергией с окружением — подобно гитарной струне, чьи колебания затихают в воздухе, отдавая энергию среде. Учёные построили такую систему из света, заставив лучи закручиваться штопором — приобретать орбитальный угловой момент — и формировать искусственную решётку, своего рода лабиринт, где можно управлять потерями на каждом шагу.

Всё вещество, от звёзд до человека, сложено из частиц, которые в Стандартной модели — наиболее полной теории элементарных частиц и их взаимодействий делятся на два семейства: фермионы (кирпичики материи) и бозоны (переносчики сил).

Свет представляет собой поток дискретных порций — фотонов. Именно Макс Планк впервые осознал, что свет испускается квантами, положив начало квантовой теории. Сегодня технологии позволяют направлять одиночные фотоны. Когда такой фотон — квант электромагнитного поля — встречает быстрый затвор, его нельзя разделить: полуфотона не существует.

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.

В 1979 году Су, Шриффер и Хигер предложили модель, которая объяснила странные электрические свойства полиацетилена — органического полимера, проводящего ток почти как металл. Их цепочка состояла из атомов углерода, соединённых попеременно то одинарными, то двойными связями.

Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.

Толпа на площади. Сначала каждый кружится в своём ритме, но вдруг музыка меняется — и все начинают двигаться синхронно, как единое целое. Примерно так ведут себя электроны в некоторых металлах: они то прилипают к магнитным примесям, то отрываются и образуют общий порядок.