спонтанное нарушение симметрии

Туго натянутая мембрана, зажатая в узком футляре, сама решает, где лопнуть. Так и клетка: когда ей тесно, точка разрыва смещается от середины, и две половинки получаются неравными. Раньше считалось, что такая асимметрия задаётся заранее химическими метками, но новая работа показывает: достаточно одной механики.

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.

Нейтрино — это элементарные частицы, которые каждую секунду миллиардами проходят сквозь наши тела, не задевая ни одного атома: они почти не взаимодействуют с веществом. У них есть загадочное свойство: по пути от Солнца или ускорителя они могут менять свой тип, или «аромат», — например, из электронного нейтрино превращаться в мюонное.

Обычное зеркало меняет местами левое и правое. Многие законы физики не замечают такой подмены — они зеркально симметричны. Но некоторые явления, например слабое взаимодействие, эту симметрию нарушают. До сих пор считалось, что гравитация и свет нарушают зеркальность каждый по-своему, независимо.

В некоторых квантовых теориях симметрии переплетаются необычным образом — как если бы у замка было два ключа, но поворот одного слегка сдвигал и второй. Такие сцепленные симметрии называют 2-группами. Одна из них — обычная 0-форменная симметрия, действующая на точечные частицы, другая — «линейная» 1-форменная симметрия, отвечающая за протяжённые объекты вроде струн или линий.

В некоторых квантовых теориях симметрии переплетаются необычным образом — как если бы у замка было два ключа, но поворот одного слегка сдвигал и второй. Такие сцепленные симметрии называют 2-группами. Одна из них — обычная 0-форменная симметрия, действующая на точечные частицы, другая — «линейная» 1-форменная симметрия, отвечающая за протяжённые объекты вроде струн или линий.

Если задеть гитарную струну точно посередине, она будет звучать только на нечётных обертонах — такой запрет накладывает симметрия колебаний. Аналогичный принцип работает в симметричных кристаллах: когда свет выбивает электроны, их ответное излучение содержит лишь нечётные гармоники. Но физики нашли способ обойти этот запрет, не сдвинув с места ни единого атома.

Горный склон после снегопада кажется хаотичным нагромождением снега. Но стоит измерить неровности — и обнаруживается: перепады высот подчиняются строгой математике. Случайные процессы здесь не вполне случайны. Они порождают универсальные узоры — будь то снег, пламя лесного пожара или рост колонии бактерий. Физики называют это классом универсальности Кардара — Паризи — Чжана (КПЗ).

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.

Чёрная дыра, сидящая на тонкой вселенской мембране (бране), напоминает тяжёлый шар, натянувший эластичную плёнку. В классической физике она лысая — только масса, заряд и вращение. Но стоит добавить скалярное поле (невидимую субстанцию вроде температуры) — и дыра может самопроизвольно обрасти «мехом» из этого поля. Это и есть спонтанная скаляризация.

Нейтрино напоминают невидимых танцоров, которые в полёте меняют маски. Три типа этих частиц — электронное, мюонное и тау-нейтрино — постоянно переходят друг в друга. Этот танец описывается сложной матрицей смешивания, и физики давно пытаются разложить её на простые движения. Авторы новой работы пересобрали одно из таких разложений — TM1 — с помощью формализма «вкусового спина».

После Большого взрыва, согласно инфляционной космологии, Вселенная пережила стремительное расширение и серию фазовых переходов. В этот период, как полагают теоретики, в ткани пространства-времени могли застыть топологические дефекты — космические струны, доменные стенки, монополи.

Квантовый мир часто сравнивают с музыкальным инструментом. Каждая система — будь то атом или цепочка частиц — звучит на своих частотах, которые физики называют уровнями энергии. В хаотических системах, как в оркестре без дирижёра, эти частоты обычно заполняют весь доступный диапазон без пробелов. Но авторы новой работы нашли удивительное исключение.

Музыканты в оркестре играют каждый свою партию, не слыша других. В идеальном кристалле дисульфида вольфрама на графене экситоны — связанные пары электрон-дырка — ведут себя так же: они почти не смешиваются из-за скрытой симметрии, которую называют долинной.

В воде, охлаждённой до −40 °C, наступает парадоксальная пауза: идеальный гексагональный лёд не спешит рождаться. Вместо этого образуется разупорядоченная структура с вкраплениями кубических слоёв — настоящая колыбель для будущей симметрии, полная беспорядка, но уже заряженная скрытой архитектурой.

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.

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.

В самом начале Вселенной, когда всё пространство было сжато в точку, законы физики перестают работать. Эту точку называют сингулярностью — краем, где наши уравнения теряют смысл. Но что, если это не конец, а особый тип границы? Авторы работы предложили взглянуть на сингулярность как на свободную границу. Обычно, решая уравнения, мы жёстко задаём условия на краях.

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.

Атомное ядро можно представить как переполненный автобус. Чтобы освободить место, группа из двух протонов и двух нейтронов — ядро гелия, называемое альфа-частицей, — покидает его через переднюю дверь: это альфа-распад.

Оркестр без дирижёра. Каждый музыкант слышит не только соседа, но и отзвуки со всей сцены. Примерно так устроена идея нелокального поля Хиггса: частица «чувствует» происходящее не в одной точке, а сразу в целой области пространства. В привычной картине масса возникает, когда частицы проходят сквозь вездесущее поле Хиггса — словно ложка в мёде.

Тяжёлое атомное ядро калифорния-252 может самопроизвольно развалиться на два крупных осколка — это похоже на лопнувшую каплю воды. Но внутри такой капли действуют квантовые законы, и каждый осколок получает собственное вращение — спин.

Переводчик отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. Примерно так работает обычная квантовая механика: частица эволюционирует во времени, а пространство служит сценой. Но что, если поменять их ролями? Тогда частица «идёт» по пространству, а время становится неподвижным фоном.

Бесконечная цепочка атомов, расставленных через равные промежутки. Сдвиньте всю цепочку на один шаг — и картина не изменится. Это и есть трансляционная симметрия: мир выглядит одинаково, куда ни посмотри. Казалось бы, такое простое правило должно порождать простые состояния — как кристаллическая решётка, собранная из одинаковых строительных блоков.

На столе стоит стакан с водой. Для каждой молекулы все направления равны — она не различает север и юг. Это симметрия. Но если воду заморозить, молекулы выстроятся в ледяную решётку, и симметрия нарушится: появится выделенное направление. Квантовый мир умеет нарушать симметрию хитрее. Стакан замёрз, а каждая молекула по-прежнему крутится как попало.

Когда горячий суп остывает, на поверхности появляются сгустки — так и ранняя Вселенная, остывая, рождала нитевидные сгустки энергии, космические струны. Некоторые из них похожи на натянутую резинку: пока цела — стабильна. Но если резинку надрезать, она рвётся.

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.

В физике элементарных частиц давно принято считать, что силы природы — электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия — подчиняются строгой симметрии, которую называют калибровочной. Она как набор правил, по которым частицы обмениваются переносчиками сил. Но откуда берутся сами правила? Обычно их вводят руками, а потом проверяют, что всё сходится.

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.

Крошечные магнитики на решётке — классическая модель Изинга — обычно описывают, как соседи влияют друг на друга. Но что происходит, когда за системой пристально следят? Каждое измерение энергии связи подобно взгляду, который заставляет магнитики «определиться» со своим состоянием.

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.

Оркестр без дирижёра играет, и вдруг — без видимой команды — скрипки начинают звучать громче, а духовые чуть смещаются по времени. Со стороны кажется, что ничего не изменилось, но внутри ансамбля произошла перегруппировка. Примерно так ведут себя небольшие физические системы при так называемых псевдопереходах третьего порядка.

В кастрюле с кипящей водой пузырьки пара всплывают и лопаются. В квантовом мире сверхтекучей жидкости пузырьки ведут себя иначе: они могут сталкиваться и рождать вихри — крошечные закрученные потоки, похожие на водовороты в реке. Учёные смоделировали такую жидкость с помощью голографического подхода.

Горсть монет падает на стол. Пока они крутятся, каждая может выпасть орлом или решкой — это квантовая неопределённость. Но стоит им упасть, как картинка становится определённой, классической. Примерно так шум разрушает квантовый порядок, превращая его в обычный беспорядок.

Весы с одинаковыми гирьками, но одна чаша всегда перевешивает. В мире элементарных частиц такой перевес называют нарушением CP-симметрии: частицы и их зеркальные двойники (античастицы) ведут себя чуть-чуть по-разному. Именно этот перекос, как считают физики, позволил материи выжить после Большого взрыва, когда материя и антиматерия должны были аннигилировать друг друга.

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…

Кристалл висмут-селен (Bi₂Se₃) сам по себе симметричен, как аккуратно сложенный бутерброд: переверни — и ничего не изменится. Но стоит слегка повернуть один слой относительно другого — и симметрия ломается. Материал начинает «чувствовать», с какой стороны падает свет, и отзывается электрическим током.

Толпа людей свободно перемещается по площади, но вдруг застывает на месте, не меняя своего расположения. Каждый остаётся там, где был, но движение прекращается. Именно так выглядит переход с симметричным массовым рождением: система обретает жёсткость, но её симметрия остаётся нетронутой.

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.