В 2008 году британские физики из Ланкастерского университета заявили: им удалось создать в лаборатории нечто, что они назвали «вселенной в пробирке». Звучит как заголовок из научной фантастики, но за ним стоит реальный эксперимент с гелием-3, охлаждённым почти до абсолютного нуля. Идея в том, что сверхтекучая жидкость в таком состоянии может моделировать структуру самого пространства-времени — и, возможно, помочь проверить теории, которые десятилетиями оставались чистой математикой.

Что именно сделали в Ланкастере

Исследователи взяли изотоп гелий-3 и поместили его в крошечную пробирку. Затем температуру опустили до величины, всего на одну тысячную градуса превышающей абсолютный нуль — минус 273 градуса Цельсия. Это предел, ниже которого температура не может опуститься физически. При таких условиях гелий-3 переходит в состояние сверхтекучести: все его атомы, подчиняясь законам квантовой механики, начинают вести себя как единое целое, образуя упорядоченную жидкость без внутреннего трения.

Но самое интересное обнаружилось, когда учёные присмотрелись к внутренней структуре этой жидкости. По словам одного из авторов работы Ричарда Хейли (Richard Haley), она почти совпадает со структурой пространства-времени как такового. Атомы в сверхтекучем гелии выстраиваются в конфигурации, напоминающие те, что, согласно космологическим моделям, возникают во Вселенной в самых экстремальных условиях.

Зачем нужна «вселенная в пробирке»

Физика давно ищет универсальную теорию, которая объединила бы все известные силы и частицы в единую картину. Самый известный кандидат — теория струн, а точнее, её суперсимметричное обобщение, теория суперструн. В ней элементарные частицы представляются как колебания ультрамикроскопических струн. Проблема в том, что математически непротиворечивых версий такой теории оказалось целых пять — и ни одну из них невозможно проверить в эксперименте, потому что масштабы струн невообразимо малы.

Вот тут и появляется гелиевая модель. Если сверхтекучий гелий-3 действительно воспроизводит структуру пространства-времени, то на нём можно ставить эксперименты, которые имитируют явления космического масштаба. Хейли и его коллеги полагают, что с помощью такой «вселенной в пробирке» удастся моделировать чёрные дыры, космические струны и даже процессы, происходившие при Большом взрыве.

Главное преимущество — уравнения, описывающие поведение гелия-3, давно и хорошо разработаны. По сути, для этой системы уже существует своя «теория всего», пусть и в миниатюре. Сравнивая её предсказания с поведением реальной жидкости, можно увидеть, какие из вариантов теории суперструн работают, а какие — нет. Или, возможно, обнаружить феномены, которые теория предсказывает, но которые до сих пор никто не наблюдал.

Что дальше

Результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, — это, конечно, не прямое доказательство теории струн. Скорее, это новый инструмент. Физики получили лабораторную систему, которая ведёт себя как упрощённая модель пространства-времени. Если аналогия действительно глубока, то эксперименты с гелием-3 могут стать первым мостом между математическими построениями теоретиков и реальными наблюдениями.

Пока рано говорить, подтвердит ли «вселенная в пробирке» одну из версий суперструн или укажет на что-то совсем иное. Но сама возможность заглянуть в аналоги космических процессов, не покидая лаборатории, — шаг, которого физики ждали очень давно. И, как ни странно, ключом к тайнам мироздания может оказаться обычная пробирка с гелием, охлаждённая почти до абсолютного нуля. Кстати, похожий подход уже использовали, когда в бассейне увидели аналог излучения Хокинга, чтобы проверить теорию чёрных дыр в лабораторных условиях.