Путешествие от частицы до Вселенной. Математика газовой динамики

МЕГАСТАБИЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Недавнее открытие бозона Хиггса с помощью Большого адронного коллайдера вызвало тревожный прогноз: наша Вселенная находится в метастабильном состоянии.

В квантовой механике, то есть теории, описывающей микромир, вакуум имеет энергию. Существуют различные возможные уровни энергии, но только наименьшая соответствует стабильному состоянию. Когда вакуум находится в нестабильном состоянии, это означает, что можно ожидать его изменения до достижения состояния с меньшим уровнем энергии, но вся произведенная энергия в конце концов полностью меняет вид Вселенной.

Некоторые признаки указывают на то, что вакуумное пространство находится в метастабильном состоянии, и это означает, что рано или поздно оно перейдет в стабильное состояние, разрушив при этом известную нам Вселенную. Переход в стабильное состояние может произойти завтра или через 100 тысяч миллионов лет. Впрочем, физики полагают, что у нашей Вселенной осталось еще по меньшей мере 10 тысяч миллионов лет.

* * *

Типичный пример — горячий лед, который можно сделать на кухне. Смешаем уксус с пищевой содой и получим ацетат натрия. Затем из кипящей воды и соли получим перенасыщенный раствор, добавим в него немного ацетата, и он закристаллизуется.

Если поставить раствор в холодильник, его температура снизится, будет пройдена граница точки замерзания, после которой состояние вещества с минимальной энергией должно быть твердым, но не жидким. Однако наш раствор все еще остается в жидком состоянии, а чтобы перейти в твердое, ему нужна некоторая энергия. Слегка постучим по стакану пальцем. Раствор получит достаточную энергию, чтобы дойти до реального минимума. При этом вся лишняя энергия высвободится, превращаясь в тепло. Мы увидим сверхскоростную реакцию, при которой раствор за несколько секунд застывает с высвобождением большого количества энергии, которая согревает получающийся кристалл. Наш раствор стал похожим на лед, но этот лед будет горячим.

Аттракторы

Решить уравнения Гамильтона для газа невозможно, но по крайней мере мы знаем, что газ ведет себя как динамическая система. Следовательно, у него будут те же характеристики, что и у обычной динамической системы, и вывести их можно с помощью элементарной математики и здравого смысла. Вспомним, что теория динамических систем — это не физическая, а математическая теория: любая система, изменяющаяся во времени по определенному правилу, — динамическая.

Мы можем представить газ как одну частицу, движущуюся в двух измерениях и описывающую некоторую траекторию. Конечно, движение газа сложнее, но качественные характеристики примерно такие же.

Если взять динамическую систему и начать вычислять ее траектории исходя из различных начальных условий, мы получим рисунок, похожий на приведенный ниже.

Это говорит о том, что несмотря на сложное поведение, такие динамические системы, как газ вне состояния равновесия, демонстрируют некоторые закономерности, которые можно определить, изучив траектории. Если мы обратим внимание на рисунок, то увидим, что наша система стремится приблизиться к некоторым областям фазового пространства. Эти области называются аттракторами, они бывают различных типов, с разными характеристиками. Если предоставить динамической системе для изменения достаточно времени, любая из них будет стремиться к аттрактору, поскольку все траектории ведут к ним.

Аттрактор необязательно должен быть точкой: это в целом область фазового пространства, которая может быть точкой, плоскостью, некоторым объемом или даже иметь более сложную форму.

Самый простой вид аттракторов — это неподвижная точка, или точка в фазовом пространстве. Если динамическая система находится в этом аттракторе, она из него никуда не передвинется. Вспомним, что динамическая система связана с трансформацией, переходом из одной точки фазового пространства в другую, но если аттрактор — неподвижная точка, то любые трансформации приводят нас в нее же.