рождение пар

Представьте зеленый луч, который, проходя через хитроумную оптическую схему, скручивается в трёхмерную воронку света — оптический вихрь. В его сердце, словно в глазу урагана, интенсивность падает до нуля. Именно там фотоны исчезают.

С тех пор как Сол Перлмуттер и его коллеги открыли ускоренное расширение Вселенной, физики ломают голову над природой тёмной энергии.

Две чёрные дыры кружатся в медленном танце, постепенно сближаясь. Их движение возмущает само пространство-время — как если бы два тяжёлых шара катились по натянутой простыне, заставляя её дрожать. Эти дрожания мы называем гравитационными волнами.

В первые мгновения после Большого взрыва материя и антиматерия должны были родиться поровну. Но сегодня мы видим только материю — звёзды, планеты, нас самих. Куда делась антиматерия? Одна из разгадок прячется в почти неуловимых частицах — правых нейтрино. Обычно считается, что они, распадаясь, создают лёгкий перекос в пользу материи.

Многие чёрные дыры окружены магнитными полями. Вращаясь, дыра тянет за собой искривлённое пространство-время, словно маховик станка, и запускает космическую фабрику. Если магнитное поле наклонено к оси вращения, этот «конвейер» работает особенно эффективно: возникает электрическое поле невероятной мощи.

В рамках Стандартной модели — нашего наиболее полного описания субатомного мира — электрический заряд всегда кратен заряду электрона: природа оперирует целыми единицами, словно строитель, использующий кирпичи строго определённого размера. Однако уравнения допускают существование частиц с двойным зарядом — билептонов.

Если сжать горсть песка в кулаке, он сначала уплотнится, но потом начнёт сопротивляться — крупинкам уже некуда деваться. В недрах нейтронной звезды происходит нечто похожее, только вместо песчинок — элементарные частицы, а вместо руки — чудовищная гравитация.

Внутри нейтронной звезды — объекта, где вещество сжато до немыслимых значений, — плотность распределена не плавно. Она обрушивается резкими уступами, которые физики называют плотностными ступенями.

Свет от лампочки или даже от обычного лазера напоминает толпу у выхода из метро: люди идут вразнобой, то густо, то пусто. Физики называют такое поведение дробовым шумом — это случайные колебания числа частиц, приходящих за секунду. Но в новом эксперименте удалось создать поток света, который ведёт себя иначе — как строй солдат, марширующих в ногу.

Физический вакуум — вовсе не абсолютная пустота: при наложении достаточно сильного поля он способен спонтанно порождать пары частиц. Это явление, известное как парадокс Дирака–Клейна, обычно описывается громоздким математическим аппаратом квантовой теории поля. Однако существует удивительно наглядная механическая аналогия, передающая суть процесса без единой формулы.

Лазер бьёт по атому стронция, и из него разом вылетают два электрона. Раньше считалось, что при такой двойной ионизации каждый электрон действует сам по себе: один выбит первым, второй — позже, случайно. Новый эксперимент с холодными атомами показал обратное: электроны покидают атом согласованно, как пара танцоров, держащихся за руки.

Полупроводниковый диод обычно пропускает ток только в одну сторону, как дверь с пружиной: в одном направлении открывается легко, в другом — упирается. Но если сильно насытить кристалл примесями, дверь начинает вести себя странно: при обратном напряжении ток не просто течёт, а резко взлетает.

Солнечный свет — это бурный поток, несущий неразлучные пары капель. Так выглядит квантовая запутанность — явление, при котором две частицы настолько связаны, что колебание одной мгновенно отзывается в другой, даже на большом расстоянии. Раньше для создания таких пар требовалась «спокойная заводь» — идеально выверенный лазерный луч.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.

Одиночный ион кальция парит в вакуумной ловушке, удерживаемый электрическими полями, как горошина в невидимой чаше. Вокруг него — два зеркала, образующие оптическую полость: свет мечется между ними, усиливая взаимодействие с ионом.

Свет от обычной лампы — это хаос: фотоны разлетаются кто куда, без всякого порядка. Но если заставить множество атомов испускать свет одновременно и в такт, получается короткая мощная вспышка — как аплодисменты, которые из отдельных хлопков складываются в единый залп. Такое согласованное излучение называют сверхизлучением.

Если пустить ток по проводу, провод нагреется. Это знает каждый, кто хоть раз трогал зарядку от телефона. Физики называют такое нагревание джоулевым — в честь Джеймса Джоуля, который в середине XIX века измерил, сколько тепла выделяет электричество. С тех пор формула проста: чем больше сопротивление и сила тока, тем горячее провод.

Обычный лазер выпускает фотоны по одному, как кран, капающий водой. А если нужно сразу несколько частиц света, родившихся в один и тот же миг? Физики заставили облако холодных атомов рубидия испускать четвёрки фотонов — как если бы кран вдруг выдавал по четыре капли разом, и каждая падала в свою пробирку. Облако охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы атомы едва шевелились.

Сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик возникли так быстро после Большого взрыва, что астрономы ломают голову. Разгадка — в дрожании невидимого поля аксионов. Аксионы — это гипотетические частицы, почти не взаимодействующие с веществом, легчайшие, словно космический студень.

Расширение Вселенной подобно танцполу, который неумолимо растягивается вширь. Десятилетиями физики полагали, что чем сильнее растяжение, тем больше должно рождаться частиц — словно танцпол самопроизвольно порождает новых танцоров. Но эти модели упускали очевидное: танцоры иногда берутся за руки.

В 1989 году Джон Уилер сформулировал дерзкую идею: «it from bit» — всё сущее из информации. Долгое время это оставалось красивой метафорой, но теперь физики нашли конкретный механизм, превращающий биты в частицы. Оказалось, что энтропия запутанности — мера квантовой связанности — может играть роль дирижёра, управляющего рождением вещества.

Спонтанное излучение — тот самый процесс, что зажигает лампы и звёзды, — в квантовой физике долгое время слыло назойливым шумом. Эта какофония случайных фотонов беспощадно разрушает хрупкую квантовую запутанность, словно треск помех в радиоприёмнике заглушает далёкую мелодию.