траектория

Качели, которые раскачиваются на горке с зубцами, ведут себя странно: без толчков они застревают в первой же впадине, а от ритмичных ударов могут поехать вверх, вниз или замереть. Именно такую картину увидели физики, когда посадили одну пылинку в ловушку с пилообразным дном и начали поочерёдно толкать её лазерными лучами. Пылинка размером 13 микрометров при лёгких толчках разгонялась до 0,95 мм/с.

Шарик скатывается по жёлобу. Какой формы должен быть жёлоб, чтобы спуск занял меньше всего времени? Три века назад ответом была циклоида — кривая, похожая на дугу перевёрнутого моста, — знаменитая брахистохрона, кривая наискорейшего спуска. Но стоит погрузить жёлоб в густую жидкость, и всё меняется: вязкое трение тормозит шарик, и самый быстрый путь становится другим.

Переход Джозефсона — это мостик из сверхпроводника, разделённый тончайшей изолирующей прослойкой. Через него течёт ток, даже если нет напряжения. Но когда ток становится слишком большим, мостик начинает колебаться, и на графике напряжения проступают ровные ступеньки — шаги Шапиро. Между этими ступеньками прячутся невидимые щели, где система ведёт себя странно. Раньше их считали просто математическим курьёзом.

Брошенный камень летит по дуге и падает. Планета у звезды — тот же камень, только падает она бесконечно, огибая светило по замкнутой кривой. В ньютоновском мире эта кривая — идеальный эллипс, и планета возвращается в одну и ту же точку каждый оборот. В реальности орбита чуть-чуть проворачивается — её ближайшая к звезде точка, перицентр, смещается. Это явление называют прецессией перицентра.

Квантовая материя редко балует нас зрелищем самодвижения. Там, где классический мир полнится стаями скворцов, косяками рыб и суетливыми бактериями, квантовая термодинамика долго хранила покой.

В горах есть седловина — точка, где тропа из одной долины переваливает в другую. Встав точно на неё, делаешь шаг и уже спускаешься по новому склону. В химии такое место называют переходным состоянием: короткий миг, когда атомы замерли на пороге превращения. Почти сто лет физики были уверены, что в квантовом мире этот перевал исчезает.

Брошенный камень летит по плавной дуге — его путь легко предсказать. Но если камень подпрыгивает на воде, траектория становится ломаной и куда интереснее. Примерно так же ведут себя квантовые частицы, когда их состояние — не спокойная волна с фиксированной энергией, а бурная смесь нескольких волн сразу.

Световые конусы — фундаментальное понятие теории относительности, описывающее границы в пространстве-времени, которые разделяют причины и следствия. Эти конусы не являются абсолютно жёсткими структурами: массивный объект искривляет их, подобно тому как тяжёлый шар продавливает натянутую эластичную плёнку.

Кристаллы времени — это квантовые фазы материи, которые спонтанно осциллируют, подобно камертону с бесконечно затухающим эхом. Если обычный пространственный кристалл повторяет атомный узор в пространстве, нарушая трансляционную симметрию, то временной кристалл демонстрирует периодичность во времени, нарушая временную трансляционную симметрию.

Глубинные уравнения физики, например уравнение Уилера–ДеВитта — фундаментальная формулировка квантовой гравитации, — не содержат времени. Прошлое и будущее в них перепутаны, как кадры на киноплёнке, где нет указателя, куда её крутить.

Согласно Эйнштейну, пространство-время — это гибкая ткань, искривляемая веществом. Но в квантовом мире всё иначе: частицы размазаны по облаку вероятностей, а правит ими правило, открытое Максом Борном (оно связывает волновую функцию частицы с вероятностью её обнаружения).

Представьте два смартфона с идентичными аккумуляторами. Один заряжается в подвале, где сигнал сети едва теплится, — и процесс идёт медленнее. Процент заряда здесь выступает стрелкой часов: по нему мы судим о течении времени. Эту наглядную логику физики перенесли в квантовый мир. Их часы — микроскопическая батарея, накапливающая энергию.

Ионный канал в мембране клетки — это ворота шириной в несколько атомов. Через них каждую секунду проходят миллионы заряженных частиц — ионов натрия и калия. Классическая физика говорила: чтобы пройти, иону нужно перепрыгнуть энергетический барьер, как путнику — высокий горный перевал.

Тонкая струйка воды на стекле душа собирается в извилистые дорожки, которые дрожат и меняются на глазах. Такая плёнка жидкости, стекающая по вертикальной поверхности, — классический пример хаоса в природе: вроде бы всё течёт вниз, но поверхность живёт своей непредсказуемой жизнью.

Бросьте камень в спокойный пруд — круги разойдутся ровно. Бросьте в бурлящий поток — вода закрутится непредсказуемо. Похожий вопрос давно мучает учёных: как по одному лишь пути частицы понять, хаотично ли её движение? Раньше для этого приходилось сравнивать путь частицы с соседними, что сложно и долго. Теперь предложен способ, который обходится без таких сравнений.

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.

Вортоны — это гипотетические замкнутые петли искривлённого пространства-времени, своего рода невидимые космические обручи, возникающие как реликты Большого взрыва. Толщиной меньше атомного ядра, но с массой, превосходящей звёздную, они вращаются, подобно гигантским каруселям, увлекая за собой окружающее пространство.

Время похоже на дорогу: издалека она кажется идеально гладкой, но под сильным увеличением видна каждая трещина. Эти неровности — квантовые флуктуации вакуума, дрожания пустоты, которые не дают точно измерить пройденный путь.

Два, казалось бы, несовместимых математических языка описывают единую квантовую реальность. Первый — язык квантовых блужданий: здесь частица (например, электрон или даже квазичастица в конденсированной среде) совершает прогулку по графу, одновременно исследуя все возможные пути — подобно тому, как пешеход в незнакомом городе мгновенно оказывается на…

Мы привыкли считать, что у событий есть причины, предметы существуют сами по себе, а сигналы не могут обогнать скорость света. Квантовая механика, описывающая Стандартную модель частиц, ставит под сомнение все эти утверждения одновременно — как если бы в рецепте нельзя было использовать все семь ингредиентов.

Квантовая система, однажды родившись, не забывает об этом. Даже спустя десятки времен жизни в её распаде остаётся след начального состояния: медленно убывающий степенной хвост. Для двух флуоресцентных красителей, эритрозина B и эозина Y, этот хвост впервые удалось разглядеть сразу в двух спектральных каналах.

В 1961 году Станислав Улам предложил простую модель: частица мечется между неподвижной стенкой и стенкой, которая колеблется по кусочно-линейному закону. Казалось бы, бильярд как бильярд. Но за этой простотой скрывался вопрос, который не давал покоя физикам десятилетиями: может ли частица разгоняться до бесконечности? Ответ оказался парадоксальным. В классической версии — почти никогда.

Плетёная корзина держит форму не потому, что у неё есть жёсткий каркас, а потому, что каждая лоза переплетена с соседними. Вытащи одну — и рисунок расползётся, останется груда прутьев. Квантовая механика, если верить новой работе, устроена так же: её элементарные объекты не существуют по отдельности, а только в переплетении друг с другом.