Голографічна картина квантової матерії: від чорних дір до кварково-ґлюонної плазми

(пе­ре­клад на­шої пуб­лі­ка­ції на Science Trends)

Од­на з цен­т­раль­них про­б­лем сучас­ної фі­зи­ки ви­со­ких ене­р­ґій по­вʼя­зу­є­ть­ся з мож­ли­віс­тю опи­са­ти та по­яс­ни­ти по­ве­дін­ку квар­ко­во-ґлю­он­ної плаз­ми — ста­ну ма­те­рії, що ви­ни­кає, ко­ли ча­с­тин­ки зо­ло­та та свин­цю зіш­тов­ху­ю­ть­ся на ду­же ви­со­ких ене­р­ґі­ях. При тем­пе­ра­ту­рах кіль­ка три­ль­йо­нів ке­ль­ві­нів квар­ки, що утво­рю­ють атом­ні яд­ра, втра­ча­ють кон­фай­н­мент, на­то­мість по­с­тає „суп“ з квар­ків і ґлю­о­нів. Цей стан та­кож іс­ну­вав у ду­же ран­ньо­му Все­сві­ті, при­близ­но 10⁻¹¹ се­кунд піс­ля Ве­ли­к­о­го Ви­бу­ху, і, мож­ли­во, іс­нує у цен­т­рах не­й­т­рон­них зі­рок. По­ля ма­те­рії у та­ко­му ста­ні си­ль­но вза­є­мо­ді­ють між со­бою, то­му фі­зи­ки ка­жуть, що та­ка вза­є­мо­дія ха­рак­те­ри­зу­є­ть­ся „си­ль­ною звʼ­яз­ніс­тю“. Але тра­ди­ці­й­ний під­хід до опи­су кван­то­вих по­лів є об­ме­же­ним ре­жи­мом зі „слаб­кою звʼ­яз­ніс­тю“, то­му не мо­же на­д­а­ти при­й­нят­ні ре­зуль­та­ти для опи­су квар­ко­во-ґлю­он­ної плаз­ми.

По­ступ у цьо­му на­прям­ку про­по­нує зна­ме­ни­тий го­л­огра­фіч­ний під­хід або ка­ліб­ру­валь­но-ґра­ві­та­ці­й­на ду­аль­ність, що бу­ла від­кри­та Ху­а­ном Мал­да­се­ною: від­по­від­ність між слаб­кою ґра­ві­та­ці­єю з од­н­о­го бо­ку та, з ин­ш­о­го, си­ль­ною вза­є­мо­ді­єю в кван­то­вій те­о­рії по­ля. З ґра­ві­та­ці­й­н­о­го бо­ку, го­ри­зонт по­дій чор­ної ді­ри має тем­пе­ра­ту­ру Го­кін­ґа, що від­по­ві­дає тем­пе­ра­ту­рі плаз­ми. Од­ра­зу піс­ля утво­рен­ня чор­на ді­ра пе­ре­бу­ває в збу­ре­но­му ста­ні, во­на ви­про­мі­нює ґра­ві­та­ці­й­ні хви­лі, ви­ві­ль­нює над­ли­шок ене­р­ґії і на­бли­жа­є­ть­ся до ста­ну рів­но­ва­ги. Ха­рак­те­рис­тич­ні ча­с­то­ти та­к­о­го ви­про­мі­ню­ван­ня бу­ли не­що­дав­но зафік­со­ва­ні де­тек­то­ра­ми LIGO і VIRGO, що під­твер­джує іс­ну­ван­ня чор­них дір та ґра­ві­та­ці­й­них хвиль. Ці­ка­во, що, за­вдя­ки го­л­огра­фіч­но­му прин­ципу, ці ха­рак­те­рис­ти­ки ви­ко­ну­ють ви­рі­шаль­ну роль у фі­зи­ці ча­с­ти­нок: ча­с­то­ти, на яких чор­ні ді­ри ви­про­мі­ню­ють ґра­ві­та­ці­й­ні хви­лі, від­по­ві­да­ють гі­д­ро­ди­на­міч­ним ха­рак­те­рис­ти­кам квар­ко­во-ґлю­он­ної плаз­ми. За­вдя­ки цьо­му, Пав­ло Ко­в­тун, Ден Шон й Ан­д­рій Ста­ри­нець пе­ред­ба­чи­ли іс­ну­ван­ня де­якої уні­вер­саль­ної по­ве­дін­ки квар­ко­во-ґлю­он­ної плаз­ми та до­ві­ль­ної кван­то­вої ма­те­рії у ста­ні „си­ль­ної звʼ­яз­нос­ти“. У 2008 ро­ці, при спо­сте­ре­жен­ні квар­ко­во-ґлю­он­ної плаз­ми про­тя­гом ве­ль­ми ко­рот­к­о­го про­між­ку ча­су у Ре­ля­ти­віс­т­сь­ко­му Ко­лай­де­рі Важ­ких Іо­нів (у Брук­хей­вен­сь­кій на­ці­о­наль­ній ла­бо­ра­то­рії), бу­ло під­твер­дже­но пе­ред­ба­чен­ня ці­єї уні­вер­саль­нос­ти.

Про­те, те­о­ре­ти­ки не пов­ніс­тю за­до­во­ле­ні на­яв­ніс­тю та­к­о­го ефек­тив­н­о­го опи­су у спе­ци­фіч­но­му ре­жи­мі си­ль­ної звʼ­яз­нос­ти. Бу­ло би ці­ка­во зʼя­су­ва­ти пов­ний шлях, що йо­го про­хо­дить ма­те­рія, пе­ре­хо­дя­чи в ре­жим си­ль­ної звʼ­яз­нос­ти. Для цьо­го не­об­хід­но зро­зу­мі­ти та­кож по­ве­дін­ку кван­то­вої ма­те­рії у так зва­но­му ре­жи­мі про­між­ної звʼ­яз­нос­ти, тоб­то по­бу­ду­ва­ти „міст“ між тра­ди­ці­й­ною кван­то­вою те­о­рі­єю по­ля при ни­зь­кій звʼ­яз­нос­ти та го­л­огра­фіч­ною кар­ти­ною си­ль­ної звʼ­яз­нос­ти. Не­що­дав­но бу­ло за­про­по­но­ва­но та­кі до­пов­нен­ня те­о­рії Ай­н­штай­на по­прав­ка­ми ви­щих сте­пе­нів про­с­то­ро­во-ча­со­вої кри­ви­ни у рів­нян­нях для ґра­ві­та­ці­й­н­о­го по­ля, які мо­жуть від­об­ра­жу­ва­ти ба­жа­ний ре­жим про­між­ної звʼ­яз­нос­ти. Од­нак ми по­ка­за­ли, що від­по­від­ні не­ай­н­штай­но­ві чор­ні ді­ри ви­яв­ля­ю­ть­ся ка­тас­т­ро­фіч­но не­ста­бі­ль­ни­ми, біль­ше то­го, на­віть пе­ред тим, як до­сягну­то ре­жи­му не­ста­бі­ль­нос­ти, ха­рак­те­рис­тич­ний спектр та­ких чор­них дір де­мон­с­т­рує до­во­лі хи­мер­ну по­ве­дін­ку: зʼяв­ля­ю­ть­ся ча­с­то­ти, що ма­ють ду­же дов­гий час жит­тя і май­же не зга­са­ють. Та­кі не­зга­си­мі ча­с­то­ти у спек­т­рі чор­ної ді­ри з точ­ки зо­ру го­л­огра­фіч­ної від­по­від­нос­ти озна­ча­ють, що кван­то­ва ма­те­рія, бу­дучи збу­ре­ною, або ні­ко­ли, або ж за­над­то дов­го вер­та­є­ть­ся в стан рів­но­ва­ги. Це ро­бить за­про­по­но­ва­ну мо­ди­фі­ка­цію чор­них дір пога­ним кан­ди­да­том на шу­ка­ний „міст“ між слаб­кою та си­ль­ною звʼ­яз­ніс­тю.

Далі...