третье начало термодинамики

В идеальном кристалле титаната свинца атомы выстроены как солдаты на плацу: все электрические диполи смотрят в одну сторону. Чтобы развернуть этот строй на 180 градусов, по старым расчётам требовалась энергия, сравнимая с нагревом кристалла до температуры в миллионы градусов. Такой барьер делал переключение поляризации невозможным, и почти 70 лет физики объясняли наблюдаемое поведение дефектами и границами.

В 1934 году Жан Лере доказал, что у уравнений Навье–Стокса всегда есть решения «в обобщённом смысле». Остаётся ли решение гладким или может сорваться в сингулярность, он не узнал, и за девяносто лет не узнал никто. В 2000 году Институт Клэя включил вопрос в семь проблем тысячелетия.

В тонком слое жидкого кристалла молекулы обычно ориентированы подобно спичкам в коробке: их длинные оси параллельны, но направления «вверх» и «вниз» распределены хаотично. Чтобы заставить все молекулы смотреть в одну сторону, требуется особое молекулярное устройство. Исследователи нашли химический приём, который делает это почти автоматически.

Сверхпроводник — это материал, в котором электричество течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если его слегка сжать, как пружину, свойства меняются. Учёные давно хотели измерить, сколько тепла поглощает такой сжатый материал, но приборы не помещались в тесную установку. Теперь они придумали способ обойти это препятствие.

Переводчик, который заранее выучил все реплики, отвечает мгновенно — ему не нужно слушать весь разговор заново. Так и новая модель: она не гоняет атомы в компьютере часами, а сразу выдаёт свободную энергию кристалла при любой температуре и давлении.

У чёрной дыры три закона термодинамики — как у идеального газа. Первый: энергия не исчезает. Второй: площадь горизонта событий не убывает. А третий, самый капризный, требует, чтобы при нулевой температуре энтропия (мера беспорядка) стремилась к нулю или общей постоянной.

Ветер несёт пыльцу, и каждая пылинка движется будто сама по себе. Но стоит воздуху закружиться вихрем, и траектории пыльцы уже не разделить — они перепутаны. Примерно так ведут себя электроны в странном металле: их движение так сильно связано с мягкими колебаниями среды, что привычные частицы-переносчики исчезают.

Река раздваивается. Один рукав — широкий и быстрый, вода в нём течёт плавно, но с повышением температуры течение замедляется: появляются водовороты и волны. Второй рукав — узкий, с порогами, где вода перепрыгивает с камня на камень. Этот поток, наоборот, с прогревом становится живее.

Кастрюля с водой закипает всегда одинаково: сто градусов — и пошли пузыри. С квантовыми жидкостями всё иначе. Когда облако атомов охлаждают почти до абсолютного нуля, оно может превратиться в единую волну материи — конденсат Бозе — Эйнштейна. Но сам переход, как выяснилось, бывает трёх разных типов.

Переполненный зал, где танцоры скользят без малейшего трения — проходят друг сквозь друга, не задевая. Это сверхтекучая жидкость. В коре нейтронной звезды так могли бы вести себя нейтроны, но им мешает жёсткая решётка из ионов — будто танцпол внезапно утыкали частыми столбами. Обычно считалось, что решётка стоит мёртво, и сверхтекучесть почти исчезает.

Математический бублик — тор — поселился на границе трёхмерного мира, где действует гравитация. Его можно мять и растягивать, и физики решили проверить, как он себя поведёт. Внутри этого мира пространство бывает плоским, как стол, раздувающимся, словно мыльный пузырь, или изогнутым наподобие седла. Граница-бублик не захотела оставаться гладкой.

Плутоний — металл с характером. Одна его форма сжимается при охлаждении, другая — разбухает. Но при комнатной температуре сплав ведёт себя странно: линейка показывает одно, а рентгеновские лучи — другое. Линейка говорит, что образец почти не растёт, а рентген видит, как атомы в кристаллической решётке разъезжаются всё дальше. Куда исчезает лишний объём? Ответ, возможно, кроется в появлении невидимой фазы.

На Большом адронном коллайдере сталкиваются не только ядра, но и отдельные протоны. Даже в таких маленьких системах наблюдается коллективное поведение, похожее на течение жидкости. Но протон — квантовый объект, его состояние описывается волновой функцией, а не температурой и давлением.

Вода может быть льдом, жидкостью или паром. Физики называют такие состояния фазами. В теории у каждой фазы есть своя мера — способ описать, насколько она вероятна. Но не всякая мера, которую можно вообразить, встречается в природе. Одни фазы настоящие, а другие — лишь математическая иллюзия. Учёные нашли простой признак, который отделяет реальность от миража.

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…

Вода, расщеплённая электричеством на водород и кислород, — давняя мечта о чистом топливе. Но на пути встают крошечные пузырьки газа: они облепляют электроды, как пена на стенках стакана с газировкой, и мешают току делать свою работу. Каждый такой пузырёк — это крошечная пробка, блокирующая часть поверхности, где должна идти реакция.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Квантовая запутанность — нелокальная связь между частицами, при которой изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, — хрупка, как тонкий лёд в топке: даже слабый нагрев разрушает её.

Кубик из танталата калия ведёт себя как обычный диэлектрик: электрическое поле он не хранит. Но стоит вырастить этот материал тонкой плёнкой на подложке из другого кристалла, как всё меняется. Кристаллические решётки плёнки и подложки не совпадают по размеру, и плёнка вынуждена подстроиться — она сжимается на 2,1 процента.

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.