нулевое начало термодинамики

Тонкая плёнка никелата неодима толщиной в пятнадцать нанометров лежит на подложке из галлата неодима. При температуре ниже ста восьмидесяти кельвинов она ведёт себя как изолятор: электроны заперты в своих атомных ячейках и не могут свободно двигаться.

В ультрахолодной камере сталкиваются два облака атомов: несколько десятков атомов цезия, играющих роль рабочего тела, и тысячи атомов рубидия — резервуара тепла. Каждое столкновение — микроскопический теплообмен, который можно сравнить с настройкой музыкального инструмента: температура резервуара задаёт темп, с которым атомы обмениваются энергией.

Графен — двумерный кристалл углерода толщиной в один атом — способен менять свои магнитные свойства подобно тому, как вода меняет агрегатное состояние: то течёт жидкостью, то застывает льдом.

Бросьте в пруд камешек — и по воде пойдут круги. Примерно так же любое тело, даже самое маленькое, возмущает гравитационное поле вокруг себя. В пустом холодном космосе эти возмущения, словно рябь на тихой глади, заставляют два близких объекта всегда отталкиваться. Это явление называют гравитационным взаимодействием Казимира–Полдера.

В квантовом мире факт становится объективным, когда его значение отпечатывается во множестве независимых фрагментов окружения — как объявление, расклеенное на сотнях досок по всему городу. Каждая копия сама по себе не добавляет новых сведений, но меняет правила игры для того, кто пытается эти сведения стереть.

Всё началось с растяжения. В первые доли секунды Вселенная раздулась — физики называют это инфляцией: экспоненциальное расширение, за которым стояло скалярное поле с огромной потенциальной энергией. Потом стремительное расширение сменилось фазой, где энергия поля перешла в обычные частицы.

В кристалле тепло распространяется посредством колебаний кристаллической решётки. Атомы колеблются, и эти колебания, называемые фононами — коллективными возбуждениями, переносящими энергию, — перемещают тепло от горячего края к холодному.

Чёрная дыра Керра-NUT — это не просто космический объект, затягивающий материю, а точное решение уравнений Эйнштейна, описывающее пространство-время с массой, вращением и дополнительным параметром NUT.

Кастрюля с кипящей водой накрыта двумя крышками — внутренней и внешней. Термометр под каждой показывает свою температуру, но их гармоническое среднее (особый способ усреднения, когда складывают обратные величины) всегда остаётся неизменным. Тепло словно подчиняется невидимому правилу.

В стакане с водой масло собирается в капли — это равновесное разделение, продиктованное химией. Но есть системы, где порядок рождается не из покоя, а из постоянного потока энергии.

В центре многих галактик прячутся сверхмассивные черные дыры. Одна из них — Стрелец А* в сердце Млечного Пути — стала полигоном для новой идеи. Авторы работы взяли эйнштейновскую гравитацию и добавили к ней необычное электромагнитное поле.

Брошенный в чай кусочек сахара растворяется, и вскоре вся жидкость становится одинаково сладкой. Этот путь к равновесию настолько привычен, что кажется очевидным. Но если заглянуть в мир атомов, где всё подчиняется квантовой механике, картина размывается: частицы запутанно колеблются, а тепло и холод — лишь усреднённые ощущения от миллиардов отдельных движений.

Учебники делят частицы на два лагеря: бозоны любят толпиться в одном состоянии, фермионы — категорически нет. Но природа допускает и третий вариант. Энионы — квазичастицы, чьё поведение лежит где-то посередине. Они могут «помнить» о том, как их меняли местами, и подчиняться нестандартному запрету на соседство.

Наша Вселенная не просто расширяется — она делает это всё быстрее. Это похоже на тесто с изюмом в духовке: изюмины удаляются друг от друга, и чем дальше они уже разлетелись, тем быстрее продолжают расходиться. Странная сила, расталкивающая космос, получила название тёмной энергии.

Чай в чашке спокойно остывает на столе. Но если пронестись мимо с околосветовой скоростью, термометр покажет больше — хотя чай никто не грел. Расчёты подтверждают: стрелка поползёт вверх. Сто лет назад физики разделились на три лагеря. Одни считали, что движущееся тело остывает, другие — что нагревается, третьи — что температура не меняется вовсе.

Кубик льда в горячем чае тает строго при нуле градусов. А если лёд состоит из субатомных частиц, а чай — это раскалённая ядерная материя? Авторы работы изучали ро-мезон — частицу из кварка и антикварка, которая живёт всего 4×10⁻²⁴ секунды, — и искали его «температуру плавления».

Если сунуть в кастрюлю с горячей водой два одинаковых термометра, они покажут одно и то же — и мы успокаиваемся: температура измерена верно. Но в разреженном газе, разогретом до миллионов градусов, этот трюк перестаёт работать. Частицы здесь почти не сталкиваются друг с другом, поэтому самые быстрые электроны уносятся прочь, а медленные скапливаются в центре.

Физики освоили изящный математический приём, позволяющий переводить уравнения гравитации на язык электричества. Этот метод — двойное копирование — работает как своего рода словарь: он заменяет сложную геометрию искривлённого пространства-времени, описываемую тензорными полями высокой размерности, на более простые правила…

Кастрюля с супом, забытая на плите, остывает до комнатной температуры. Кажется, что всё пришло к покою. Но если заглянуть внутрь с квантовой лупой, окажется, что молекулы воды не замерли — они продолжают свой танец. Просто теперь этот танец стал равномерным, а не бурным, как при кипении.

С незапамятных времён физики грезят о тоннелях, пронзающих космос, — кротовых норах, способных соединить далёкие уголки Вселенной за мгновения.

Кастрюля с водой на плите рано или поздно успокаивается: температура выравнивается, жидкость перестаёт бурлить. Физики называют это тепловым равновесием — состоянием, в котором энергия распределяется самым вероятным способом.

На поверхности крошечного шарика живут два невидимых поля — как два вида ряби на мыльном пузыре. Эти поля не просто колеблются сами по себе: они постоянно влияют друг на друга, словно музыканты, играющие в унисон. В новой работе физики вывели точные уравнения, которые описывают, как эта рябь меняется во времени, нагревается и переходит в хаос.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так и чёрная дыра, покоясь в пустоте, может встретить гравитационную волну или облако газа. Она не остаётся безучастной: её поверхность (горизонт событий) слегка прогибается, словно натянутая плёнка под весом капли.

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.

Квантовая система может обладать свойством, которое называют магией. Это не фокусы, а мера того, насколько трудно воспроизвести её поведение на обычном компьютере. Обычные состояния — их называют стабилизаторными — компьютер считает легко. А вот состояния с магией ставят его в тупик. Проблема в том, что проверить, есть ли магия, обычно значит измерить систему вдоль и поперёк — трудоёмко и дорого.

Свет и атомы, как танцоры, могут двигаться в унисон или вразнобой. Когда их взаимодействие анизотропно — то есть зависит от направления, — танец усложняется. В новой работе физики рассмотрели модель, где множество атомов (кубитов) коллективно взаимодействуют с анизотропным полем света, и каждый компонент подключен к тепловому резервуару.

В классической механике электрон, обращаясь вокруг ядра, должен непрерывно терять энергию на излучение и по спирали падать на ядро — подобно сёрферу, который, теряя скорость, соскальзывает с доски. Однако атомы стабильны на протяжении миллиардов лет. Причина в том, что космос не является пустым.

Горячая цепочка атомов, выстроенных в линию, ведёт себя как крошечная чёрная дыра. Такая цепочка — это ряд частиц, каждая из которых похожа на крошечный магнит. При обычной температуре магнитики хаотично переворачиваются, но если их охладить, они выстраиваются в едином порядке. Физики обнаружили, что при нагреве эта простая система повторяет странные свойства чёрных дыр.

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.

В XIX веке Джеймс Клерк Максвелл вообразил крошечного демона. Тот знает скорость каждой молекулы газа и открывает дверцу: быстрые — налево, медленные — направо. Так без затрат энергии возникает разница температур, что будто нарушает законы физики. Но разгадка — в информации: чтобы запомнить скорости и решать, демону нужна память.

Горячий кофе остывает, излучая невидимый свет — инфракрасные фотоны. Чтобы температура оставалась постоянной, чашка должна получать ровно столько же фотонов обратно. Этот безмолвный обмен фотонами — то, что мы ощущаем как устойчивое тепло.

Крошечные частицы, похожие на цветы, умеют делать сразу два дела: греться и сообщать, насколько они горячие. Это не фантастика, а результат работы с наночастицами из феррита кобальта — магнитного материала, который реагирует на магнитное поле. Обычно для нагрева и измерения температуры нужны разные инструменты, но здесь всё совмещено в одной частице. Как это работает?

Квантовые устройства обычно держат в криостатах — больших термосах, где температура ниже, чем в открытом космосе. Ион эрбия, запертый в крошечной ловушке на кремниевом чипе, ломает эту традицию. Он работает прямо на столе, при комнатной температуре, и помнит квантовое состояние полмиллисекунды.

Ледяной керн из Антарктиды — это машина времени, которая записывала климат 130 тысяч лет подряд, год за годом, без пропусков. В пузырьках воздуха, запертых во льду, сохранился углекислый газ тех эпох. Учёные сравнили его содержание с температурой, которую лёд тоже помнит, и увидели, как эти двое разговаривают друг с другом.

Обычный способ заморозить живую клетку похож на попытку надеть на неё скафандр: сначала нужно ввести внутрь защитное вещество, но пока оно проникает через оболочку, клетка может лопнуть от перепада солей или отравиться химией.

Вода в стакане остывает, лёд тает, а чайник нагревает плиту — так устроен мир: тепло всегда бежит от горячего к холодному. Это второе начало термодинамики, закон, который не нарушался ещё никогда. Но квантовый мир умеет удивлять: теперь физики заставили тепло течь в обратную сторону, не трогая сам закон, а используя хитрые свойства частиц.

Вода всегда течёт вниз, а тепло — от горячего к холодному. Так велит энтропия — мера неупорядоченности, стремящаяся к росту. Но квантовый мир находит лазейки. Физики заставили частицы света — фотоны — взаимодействовать с горячей и холодной средой в неопределённой последовательности. Представьте подброшенную монету, которая ещё не упала: она одновременно и орёл, и решка.

Обычный свет рассеивается во все стороны, но физики превратили его в подобие конвейерной ленты — односторонний поток, который не поворачивает обратно. Для этого они пропустили два встречных луча через облако атомов Ридберга — атомов, раздутых до размеров крошечной пылинки. Тепловое дрожание этих гигантов нарушает симметрию, заставляя свет двигаться лишь вперёд.

Квантовая запутанность — хрупкий ресурс. Нагрейте систему, и тепловые флуктуации разорвут тонкие нити корреляций: при достаточно высокой, но конечной температуре гиббсовское состояние локального гамильтониана становится сепарабельным, то есть представимым как вероятностная смесь произведений локальных состояний.

Два телескопа смотрят в одну Вселенную и видят разные скорости. Локальные измерения на сверхновых дают 73.04 ± 1.04 км/с/Мпк, а данные реликтового излучения в стандартной модели предсказывают 67.36 ± 0.54. Расхождение в 5.7σ не похоже на случайность — это напряжение Хаббла, трещина в фундаменте космологии.