Теоретическая физика высоких энергий hep-th

Вселенная расширяется всё быстрее, и стандартное объяснение этому — положительная космологическая постоянная, то есть вакуум де Ситтера. Теория струн, претендующая на роль квантовой гравитации, должна уметь описывать такой вакуум, но за десятилетия усилий ни одной надёжной конструкции не появилось.

Два сосуда с водой разной температуры соединены тонкой перегородкой. Пока перегородка цела, каждый сосуд живёт своей жизнью: в одном вода горячая, в другом — ледяная. Но стоит убрать перегородку, как температуры начинают выравниваться, и в конце концов оба сосуда приходят к одному состоянию.

Город нарисован на листе бумаги. Улицы те же, перекрёстки на местах, но расстояния между кварталами вдруг изменились. Так выглядит трёхмерная чёрная дыра BTZ в модифицированной гравитации: метрика — карта города — осталась прежней, а вот космологическая постоянная, задающая масштаб, получила поправки.

В первые мгновения после Большого взрыва пространство расширялось с невероятной скоростью. Крошечная квантовая рябь, заложенная в самом принципе неопределённости, расталкивала вещество сильнее, чем любая известная сила. Эта рябь — обобщённый принцип неопределённости, или GUP.

Почтовый перевод приходит не сразу, а через заданный срок — и сумма на счёте получателя оказывается больше, чем отправитель положил наличными. Примерно так работает новый протокол, названный темпоральной квантовой телепортацией энергии (TQET). В обычной квантовой телепортации энергии два участника, Алиса и Боб, делят общее квантовое состояние.

В безмолвном сердце мироздания, где частицы сходятся и расступаются, рождается акт чистой гармонии. Два хиггсовских бозона встречаются и на краткий миг образуют единое целое — и если потребовать, чтобы их квантовая запутанность всегда достигала предела, словно камертон, задающий идеальный тон, то уравнения вдруг озаряются новой симметрией.

В 2008 году группа физиков потратила месяцы суперкомпьютерного времени, чтобы вычислить одну-единственную величину в теории квантовой гравитации. Речь о вершинной амплитуде спиновой пены — числе, которое задаёт вероятность локального квантового перехода пространства-времени.

Тень чёрной дыры — это не просто тёмный силуэт. Это отпечаток всей геометрии пространства-времени, включая самые тонкие квантовые эффекты. Когда астрофизики смотрят на снимки горизонта событий, они видят не чёрный диск, а слоёный пирог из искривлённого пространства, экзотической материи и квантовой пены.

В цепочке из холодных спинов, вытянутой вдоль одной линии, порядок и беспорядок могут сплестись в узор, который не описать привычными правилами. Два состояния вещества, два «порядка», разделяет перекрёсток, где дороги не сходятся, а расходятся.

В ускорителе сталкиваются две хиггсовские частицы. На кратчайший миг их судьбы переплетаются, а затем расходятся, унося информацию о встрече. Обычно физик описал бы это диаграммами и амплитудами, но здесь рассеяние рассматривают как квантовое вычисление: каждая частица — кубит, а столкновение — операция, преобразующая…

В концертном зале квантовой теории долгое время царила строгая дисциплина: считалось, что операторы, эти исполнители сложности, могут расти лишь с определённой скоростью. Гипотеза универсального роста операторов утверждала, что коэффициенты Ланцоша — числа, измеряющие скорость роста оператора, — не могут расти быстрее линейно. Это правило казалось незыблемым, как темп в классической симфонии.

На краю пространства-времени, где заканчиваются все световые лучи, живут симметрии, о которых физики спорят уже полвека. Их называют суперротациями — это такие преобразования небесной сферы, которые расходятся в отдельных точках, словно вихри в сверхтекучем гелии. Долгое время казалось, что у этих вихрей нельзя измерить заряд: интегралы, которые должны давать сохраняющиеся величины, обращаются в бесконечность.

Чёрная дыра в анти-де Ситтеровском пространстве — не пустота, а скорее кастрюля с кипящей жидкостью. У этой жидкости есть две фазы: маленькие и большие чёрные дыры, как пар и вода. При определённом давлении они сливаются в критической точке — ровно как вода при 374 °C и 218 атмосферах теряет разницу между жидкостью и газом.

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.

Вселенная расширяется, и темп этого расширения задаёт тёмная энергия — загадочная сила, ускоряющая разбегание галактик. В стандартной космологической модели её плотность постоянна: космологическая постоянная, неизменный метроном с момента рождения мира.

Тепловая машина — как парусник: чтобы идти вперёд, ей нужен перепад. Обычно это разница температур между горячим и холодным резервуарами. Но что, если сам резервуар начнёт двигаться? Ветер, дующий в паруса, создаётся не только разностью давлений, но и движением воздушных масс.

Чёрная дыра в общей теории относительности долго слыла идеальным зеркалом: какие бы поля на неё ни падали, она не деформировалась. Приливные числа Лява, мера деформации тела под действием внешнего приливного поля, для скалярных, электромагнитных и гравитационных возмущений оказывались равными нулю. Это казалось железным правилом, пока не пришли фермионы.

Гравитационные волны от слияния нейтронной звезды с чёрной дырой несут в себе отпечаток сложнейшей динамики пространства-времени. Чтобы расшифровать этот отпечаток, физики вычисляют амплитуды рассеяния — квантовые вероятности того, что два тела разлетятся под определённым углом.

Электрон вылетает из ядра трития с энергией 18,57 кэВ, оставляя после себя невидимого партнёра — нейтрино. Если у этого нейтрино есть доступ в пятое измерение, его масса расщепляется на целую башню состояний, и каждое из них отщипывает от спектра свой кусочек.

Дорога к равновесию для квантового детектора напоминает горный маршрут: подъём всегда быстрее спуска. Ускоренный в вакууме атом, чувствующий квантовые флуктуации поля, нагревается до температуры Унру. Этот процесс необратим, но его скорость зависит от направления: нагрев опережает охлаждение.

Сто лет назад уравнения Эйнштейна предсказали черные дыры, но внутри них физика ломалась: траектории частиц обрывались в сингулярности, точке бесконечной кривизны. Это был тупик, конец пространства-времени. Теперь физик Ицхак Барс предлагает радикальный поворот: сингулярность — не стена, а дверь.

Гравитационно-волновой детектор ловит не только гул слияний, но и тихий всплеск, когда звезда или облако газа ныряет в сверхмассивную чёрную дыру. Такой нырок, как падение камня в колодец, рождает волны сразу на всех частотах — и в этом спектре закодирована природа самого колодца. Если на дне вместо бездонного провала лежит отражающая плита, эхо вернётся иначе.

В 1976 году Герард ’т Хоофт заметил, что вакуум калибровочной теории не так прост, как кажется: он обладает топологической структурой, которая проявляется в ненулевой топологической восприимчивости. Эта величина — мера чувствительности вакуума к топологическим конфигурациям полей — требует наличия псевдоскалярного состояния, частицы с нулевым спином и отрицательной чётностью.

Вселенная играет спектакль, и главная роль в нём отведена тёмной энергии. Долгое время казалось, что актёр неизменен: космологическая постоянная (энергия вакуума, ускоряющая расширение Вселенной) задавала один и тот же тон.

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.

Чёрная дыра — не просто мусорный бак Вселенной, а скорее сейф с секретным кодом. Десятилетиями считалось, что любой сигнал, посланный к горизонту событий, частично отражается обратно: искривлённое пространство-время работает как кривое зеркало, и часть энергии всегда уходит назад.

Каждый вечер в городском архиве дежурный раскладывает новые папки по стеллажам. Если за день их пришло слишком много, полки прогибаются, и наутро архив отвечает на запросы медленнее. Примерно так же устроена память чёрной дыры: она не просто хранит информацию, она физически ощущает её вес.

Космические лучи — это элементарные частицы, несущие колоссальную энергию, которые пронизывают межгалактическую пустоту. Когда две такие частицы сталкиваются лоб в лоб, плотность энергии в точке удара может оказаться достаточной, чтобы сколлапсировать в чёрную дыру размером с атомное ядро.

Ранняя Вселенная была далека от совершенства: одни её области растягивались быстрее других, создавая складки и перекосы в ткани пространства-времени. Однако квантовый отскок — переход от сжатия к расширению, вызванный законами микромира, — всё исправляет.

Вселенная — это грандиозная трасса, по которой галактики-автомобили разъезжаются всё быстрее. За педаль газа отвечает таинственная тёмная энергия — гипотетическая субстанция, вызывающая ускоренное расширение космоса.

Метод «двойной копии» в теоретической физике напоминает кулинарный приём: представьте, что повар берёт рецепт холодного супа и, продублировав ингредиенты особым образом, получает рецепт горячего жаркого.

Вещество можно представить как дом. В одних комнатах царит строгий кристаллический порядок — каждый атом на своём месте, словно мебель по линеечке. В других — хаос сверхтекучего гелия, где атомы теряют память о соседях и текут без трения.

Вселенная заполнена невидимой массой — тёмной материей, которая проявляет себя только через гравитацию. Одна из гипотез предполагает, что тёмная материя состоит из первичных чёрных дыр — объектов, образовавшихся в экстремальных условиях сразу после Большого взрыва. Эти чёрные дыры могут иметь массу, сравнимую с астероидом, и размер меньше атомного ядра.

Чёрные дыры редко пребывают в абсолютной изоляции. Их часто окутывают невидимые облака из гипотетических частиц тёмной материи — настолько лёгких, что они ощущают лишь гравитационное взаимодействие, почти не сталкиваясь друг с другом и с обычным веществом.

В повседневном опыте мы оперируем тремя пространственными измерениями — длиной, шириной и высотой, — считая их фундаментальной и неизменной данностью.

Чёрная дыра — не бездонная воронка, а космическая кастрюля. Вещество внутри неё подчиняется законам, напоминающим поведение воды: при одних условиях оно подобно кипящему пару, при других — остывающей жидкости.

Согласно голографической гипотезе, наш трёхмерный мир — это проекция с двумерной поверхности. От такой Вселенной иногда отделяются крошечные замкнутые пузырьки — вселенные-малютки. Долгое время их считали пустыми, лишёнными внутреннего разнообразия. Исследования показали, что информация внутри них распределена фрагментарно, словно осколки разбитого зеркала.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон, подчиняющийся уравнению Дирака, даже в состоянии полного покоя испытывает Zitterbewegung — сверхбыстрое дрожание с амплитудой порядка триллионных долей миллиметра. Это явление можно представить как колебание волчка, вращающегося на невидимой оси.

Кротовая нора — это гипотетический туннель, пронзающий искривлённое пространство-время и соединяющий далёкие области Вселенной, словно мост, переброшенный через бездну. Недавно физик Хуан Малдасена с коллегами построил теоретическую модель такой норы, опираясь на особое сочетание пространственной кривизны и квантовых полей.

В привычном нам мире три пространственных измерения. Однако теоретическая физика допускает существование дополнительных, скрытых от прямого наблюдения направлений — компактифицированных, то есть свёрнутых до микроскопических размеров.