нарушение лоренц-инвариантности

В парижской лаборатории свет заставили обтекать преграду, как вода обтекает камень в ручье. Только вода здесь особенная: она не чувствует трения.

Два танцора на одной сцене повторяют движения друг друга, даже когда их разделяет занавес. В квантовом мире такие пары называют запутанными, и физики уже полвека проверяют, насколько далеко простирается эта связь. До сих пор все тесты с массивными частицами касались их внутренних свойств, например спина, но не самого движения.

Протон или атомное ядро, разогнанное до огромной скорости, врезается в атмосферу Земли — и рождается каскад из миллиардов вторичных частиц. Этот широкий атмосферный ливень несётся к поверхности, а чуткие телескопы ловят его бледное свечение — флуоресцентное излучение, возникающее при возбуждении молекул воздуха.

Протон или атомное ядро, разогнанное до огромной скорости, врезается в атмосферу Земли — и рождается каскад из миллиардов вторичных частиц. Этот широкий атмосферный ливень несётся к поверхности, а чуткие телескопы ловят его бледное свечение — флуоресцентное излучение, возникающее при возбуждении молекул воздуха.

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.

Общая теория относительности, описывающая устройство Вселенной, не запрещает петли во времени. Но Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о «защите хронологии»: квантовые эффекты должны разрушать такие петли, делая путешествия в прошлое невозможными.

Юла, которая делает сотню оборотов за секунду, вдруг начинает резко терять скорость — гораздо быстрее всех известных юл. Именно так ведёт себя пульсар J0435+3233. Это мёртвая звезда, сжавшаяся до размеров города, но вращающаяся с бешеной скоростью.

Лазер похож на камертон, который звенит на одной ноте. Но даже в полной тишине его звук чуть-чуть дрожит. Раньше считалось, что эта дрожь — случайные толчки от самопроизвольного испускания света атомами внутри лазера — и есть главный предел точности. Новая работа показывает: есть и второй источник шума, более тихий, но вездесущий.

В 2021 году обсерватория LHAASO зарегистрировала гамма-кванты с энергией свыше петаэлектронвольта от источников вроде Крабовидной туманности — остатка взрыва сверхновой, в центре которой пульсирует нейтронная звезда.

Внутри планет и звёзд, во вращающихся океанах плазмы, сталкиваются турбулентные потоки, силы Кориолиса и магнитное натяжение. Главная интрига — как энергия этого хаоса кристаллизуется в устойчивый магнитный каркас, способный просуществовать миллиарды лет.

Две мёртвые звезды кружатся в последнем танце. Их сближение рождает рябь в пространстве — гравитационные волны. Но в этом танце может участвовать третий, невидимый партнёр. Его притяжение разгоняет пару, и тогда сигнал слегка меняет тон — как сирена проезжающей мимо машины. Авторы работы учились ловить этот сдвиг тона — ускорение центра масс (по-английски LOSA).

Река времени может оказаться не плавным потоком, а чередой мельчайших шагов — словно покадровая съёмка с невообразимо быстрой камерой. В 1964 году Ю. А. Гольфанд предположил, что время движется не непрерывно, а крошечными скачками, и вывел уравнение, которое предсказывало неизбежный рост беспорядка (энтропии).

Струна звучит идеально чисто, пока её не тронет сквозняк. Примерно так работает суперрадиантный лазер: пучок атомов, заранее заряженных энергией, пролетает сквозь комнату из двух зеркал — оптический резонатор (ловушку, где свет мечется туда-сюда). Атомы дружно отдают запасённый свет, и рождается луч с чрезвычайно стабильной частотой — такой хоть в атомные часы ставь.

Космология напоминает зал суда, где двое свидетелей дают непримиримые показания. Первый — анализ реликтового излучения спутником Planck — утверждает: расширение Вселенной идёт со скоростью 67 (км/с)/Мпк. Второй — лестница расстояний по сверхновым и цефеидам — настаивает на 73.

Чай в чашке спокойно остывает на столе. Но если пронестись мимо с околосветовой скоростью, термометр покажет больше — хотя чай никто не грел. Расчёты подтверждают: стрелка поползёт вверх. Сто лет назад физики разделились на три лагеря. Одни считали, что движущееся тело остывает, другие — что нагревается, третьи — что температура не меняется вовсе.

Бросьте горсть песка в спокойную воду — круги разойдутся и исчезнут. Бросьте её в работающий миксер — вихри перемешают всё мгновенно. В физике есть похожее правило: хаос не может нарастать быстрее определённого темпа. Этот предел, словно ограничитель скорости, долго считался нерушимым для многих систем — от квантовых частиц до чёрных дыр.

Два луча света бегут по замкнутому кольцу во встречных направлениях. Согласно постулату о неизменности скорости света, в вакууме она всегда одинакова для любого наблюдателя. Когда кольцо вращается, один луч вынужден догонять смещающуюся цель — его путь удлиняется, а второй, напротив, летит навстречу приёмнику, сокращая дистанцию.

Скорость света в вакууме — фундаментальный метроном физики, задающий темп всем процессам во Вселенной. Малейший сбой этого ритма способен разрушить привычную гармонию законов природы.

В тонком канале полупроводника электроны ведут себя не как одиночки, а как толпа в час пик. Они то и дело сталкиваются друг с другом, и от этих столкновений зависит, насколько легко тепло и электрический ток проходят через материал. Обычно эти два потока идут рука об руку: хороший проводник электричества так же хорошо проводит тепло.

Две монетки подбрасывают в разных городах, но выпадают они всегда одинаково. Физики называют это запутанностью: частицы ведут себя так, будто между ними есть невидимая нить. Однако вдруг нить не мгновенная, а просто очень быстрая, но всё же не быстрее света? Тогда между измерениями может успеть проскользнуть какой-то сигнал, и совпадения объяснятся без всякой магии.

Свет бежит по комнате, отражается от зеркал и стен. Пустота между ними кажется совершенно нейтральной: она не мешает лучу, не искривляет его путь. Но что, если в самых глубоких основах мира пустота устроена сложнее? Физики давно подозревают, что симметрия пространства может нарушаться на крошечных масштабах — и тогда свет поведёт себя иначе.

Магнитная стрелка компаса указывает на север, но что, если само пространство имеет скрытую ось? Физики проверили, не нарушается ли одинаковая во всех направлениях структура мироздания, используя магнитное поле Земли. В уравнения электромагнетизма можно добавить слагаемое, которое выделяет одно направление — как если бы у Вселенной появился «север».

На столе в лаборатории стоит прибор, похожий на весы, но вместо чашек у него два грузика из разных металлов — бериллия и алюминия. Весы подвешены на тонкой нити, которая закручивается, если грузики тянутся по-разному. Весь прибор поворачивается вслед за Солнцем, как подсолнух, который следит за светилом, но вместо света ловит его притяжение.

Третий закон механики чёрных дыр, предложенный Стивеном Хокингом, утверждает: никакая физическая система не может достичь экстремального состояния — предела вращения или заряда — за конечное время.

Уравнение диффузии — математический инструмент, описывающий, как частицы расползаются в пространстве, — долгое время рисовало парадоксальную картину: возмущение, словно круги на воде, мгновенно охватывает всю Вселенную. Это бросало вызов теории относительности, утверждающей, что ничто не может двигаться быстрее света.

Согласно фундаментальным законам физики, ничто не может двигаться быстрее света в вакууме. Если бы сверхсветовой сигнал существовал, для некоторых наблюдателей он бы прибыл раньше, чем был отправлен, — следствие опередило бы причину.

Звезда S2 делает оборот вокруг чёрной дыры в центре Млечного Пути за 16 лет, разгоняясь до 7650 километров в секунду. Её орбита — вытянутый эллипс, и в ближайшей точке звезда подходит к чёрной дыре на расстояние, в 120 раз превышающее путь от Земли до Солнца.

Два чёрных гиганта кружатся и сталкиваются — по Вселенной расходится дрожь пространства. Эту дрожь ловят детекторы гравитационных волн. Но в сигнале может скрываться не только масса и расстояние: если законы физики чуть-чуть разные в разных направлениях, волна исказится.

Квантовая запутанность — это особое состояние, при котором частицы оказываются связанными так, что изменение одной мгновенно сказывается на другой, даже если их разделяют световые годы. Долгое время считалось, что сильное ускорение разрушает эту связь.

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 октябре 2022 года обсерватория LHAASO измерила спектр — распределение энергий — гамма-всплеска GRB 221009A, самого яркого за всю историю наблюдений. Его свет, преодолев два миллиарда лет, оказался столь интенсивным, что возмутил ионосферу Земли.

Быстрые радиовсплески — это яркие космические вспышки, которые, подобно стартовому сигналу, запускают гонку радиоволн через Вселенную. Астрономы использовали их как естественную лабораторию, чтобы проверить, обладает ли массой фотон — квант света, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия.

Одиночный фотон проходит через две щели и оставляет на экране интерференционную картину. Квантовая механика описывает этот процесс волновой функцией, но что происходит с самой частицей? Почти век назад Луи де Бройль предложил идею волны-пилота, а Дэвид Бом развил её в строгую теорию, где у каждой частицы есть траектория.

9 октября 2022 года космос устроил представление, какого астрономы не видели за всю историю наблюдений. Гамма-всплеск GRB 221009A — мощнейший космический взрыв, дающий вспышку гамма-излучения, — ослепил детекторы на орбите и на Земле. Его назвали «самым ярким за всё время».

Линейка из света — так можно назвать новый метод измерения крошечных временных задержек. В 1987 году Чонг Ки Хонг, Чже-Юй Оу и Леонард Мандель заметили: если два неразличимых фотона одновременно попадают на светоделитель, они всегда выходят вместе из одного порта.

Два переводчика слушают одну и ту же симфонию. Один слышит только основной тон — чистую, предсказуемую мелодию. Второй улавливает обертоны, которые меняют окраску каждой ноты.