модель СYK

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

В далёком космосе существует гипотетический объект — ультрахолодная чёрная дыра. Она несёт электрический заряд и находится в расширяющейся вселенной — пространстве де Ситтера, где доминирует космологическая постоянная. Её температура близка к абсолютному нулю — примерно на одну триллионную градуса выше него.

В 1973 году Джейкоб Бекенштейн предположил, что чёрные дыры обладают энтропией — мерой скрытого беспорядка. Стивен Хокинг позже подтвердил это, добавив излучение, но микроскопическое происхождение энтропии оставалось тёмным.

Чёрная дыра после удара звенит, как колокол. Только вместо звука она испускает гравитационные волны, частота которых быстро падает — это называют квазинормальными модами. По такому «звону» можно узнать массу дыры, её вращение и другие свойства.

Горизонт чёрной дыры — не стена, а скорее односторонняя мембрана. Всё, что пересекает её, исчезает навсегда. Стивен Хокинг показал, что эта граница должна слабо светиться, испуская частицы. Но поймать такое свечение от настоящей дыры невозможно — слишком далеко и тускло. Физики нашли обходной путь: построить «игрушечную» чёрную дыру из магнитных атомов.

Чёрная дыра — не просто тёмное пятно. Она вращается, увлекает за собой пространство и может нести на себе отпечатки квантового мира. Чтобы описать такую дыру, нужно решить уравнения гравитационного поля.

Черная дыра в классической теории — это место, где вещество сжимается в точку с бесконечной плотностью. Такая «сингулярность» выглядит как ошибка в уравнениях: природа вряд ли терпит бесконечности. Многие физики ищут способы «сгладить» этот провал, и одна из идей — изменить саму теорию гравитации на малых расстояниях.

Черная дыра внутри устроена слоями, как луковица. В новой модели вместо бесконечной точки в центре — три области: плотное ядро, переходный слой и корка под самым горизонтом. Все они возникают из одного поля, которое само с собой взаимодействует. Ядро — это область отрицательной энергии, похожая на конденсат частиц без движения.

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.

Квантовый мир полон перевоплощений. Иногда система, собранная из одних частиц, начинает вести себя так, будто в ней завелись совсем другие. Например, в цепочке бозонов — «общительных» частиц, любящих собираться в одном состоянии — могут неожиданно проявиться фермионы, которые обычно держатся особняком.

Если бросить камешек в пруд, по воде пойдут круги. Примерно так же «звучит» чёрная дыра, когда в неё падает материя или когда её пространство-время слегка встряхивает. Эти затухающие колебания называют квазинормальными модами — как звон колокола, который постепенно стихает.

Чёрную дыру можно сравнить с колоколом: после удара она вибрирует, издавая затухающий «звон». Этот звон — гравитационные волны, которые улавливают детекторы на Земле. Обычно астрофизики слушают обертоны, порождённые световым кольцом — областью у горизонта, где фотоны кружат, прежде чем упасть или улететь.

Обычная лампочка при нагреве светит ярче — это знает каждый. Но чёрная дыра размером с атомное ядро живёт по другим законам. Когда она испаряется, испуская частицы из-за квантовых эффектов у самой границы (горизонта событий), её свечение не растёт с температурой, а падает. Причина — в резкой потере массы: дыра худеет так быстро, что не успевает разогреться.

Представьте автомобиль на круиз-контроле: наезжая на кочку, скорость кратковременно подскакивает, но мотор продолжает работать равномерно. Нечто подобное недавно обнаружили у тёмной энергии — загадочной субстанции, заставляющей Вселенную расширяться с ускорением.

Обычный чайник: нагреваешь — растёт температура, молекулы движутся всё беспорядочнее, и вырывается пар. Но в лаборатории создали необычный «чайник» — аналоговую чёрную дыру из охлаждённых почти до абсолютного нуля сверхпроводящих цепей.

Камень падает в пруд, и по воде расходятся круги. Если же пруд неспокойный, со встречными волнами, картина усложняется. Примерно так ведет себя пространство вокруг черной дыры, когда ее что-то возмущает: она вибрирует, излучая гравитационные волны.

Падающий на чёрную дыру газ закручивается в спираль, как вода в воронке. В этом потоке постоянно рождаются и лопаются магнитные петли — примерно как солнечные вспышки, но гораздо мощнее. Каждая такая петля — крошечный магнит, который живёт своей жизнью. Когда их много, они начинают влиять друг на друга: их северные и южные полюса то притягиваются, то отталкиваются.

Капля сливок падает в чашку с кофе — и через минуту весь напиток становится бежевым. Этот процесс перемешивания можно измерить: насколько сильно нужно «пошевелить» одно распределение частиц, чтобы превратить его в другое. В математике такой подход называют оптимальным транспортом, а меру усилий — расстоянием Васильштейна. Авторы работы применили эту идею к квантовым системам.

Физики выяснили: чтобы открыть кротовую нору — гипотетический туннель в пространстве-времени — её нужно сильно встряхнуть. Не в прямом смысле, но на квантовом чипе они смоделировали систему из 8 частиц, настолько хаотичную и запутанную, что она сама превратилась в вибрирующую голограмму чёрной дыры.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Из центра галактики, где прячется чёрная дыра, в обе стороны бьют узкие струи раскалённого газа — джеты. Они светятся на огромных расстояниях, иногда длиннее самой галактики. Как именно чёрная дыра запускает эти струи, до конца не ясно, но есть элегантная идея: вращение чёрной дыры закручивает магнитные поля, и они, как пружина, выбрасывают вещество наружу.

Когда две частицы сталкиваются и разлетаются, физики записывают результат как сложную математическую формулу. Таких формул много, и между ними есть невидимые связи — как между разными рецептами одного блюда: меняешь порядок действий, а вкус тот же. Раньше эти связи выводили вручную, тратя месяцы и годы. Теперь за это взялась программа, которая ищет закономерности в числах.

Квантовое блуждание похоже на пьяного человека, который на каждом перекрёстке сворачивает случайно. Только вместо улиц — узлы графа, а вместо шагов — квантовые переходы. Учёные выяснили, что у такого блуждания есть скрытая мера — сложность Крылова. Она показывает, насколько быстро состояние системы «расплывается» по доступным вариантам.

Два крошечных магнитных вихря, называемых скирмионами, плывут по тонкой плёнке. Когда они сближаются, между ними возникает не простое притяжение или отталкивание, а чередование того и другого — как если бы два поплавка на воде то сходились, то расходились, подчиняясь невидимой волне.

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.