Физика в НИИ Черногорье

Физики редко становятся главными героями кино, в особенности боевиков. По большей части их судьбам посвящают биографические картины. Точно так же дело обстоит и в видеоиграх. Отчасти это связано с тем, что ученые в массовом сознании не отличаются хорошей физической подготовкой, а потому плохо подходят, чтобы сопротивляться толпам врагов в ураганном геймплее.

Редким исключением можно назвать игру Another World, сделанную в жанре двумерной action-adventure французской компанией Delphine Software в 1991 году. В ней мы играем за физика, перенесшегося в параллельное измерение в результате неудачного ускорительного эксперимента. Впрочем, эта аркада не столько требует от игрока отстреливать толпы врагов, сколько прыгать через препятствия и решать головоломки.

Все изменилось с выходом Half-Life в 1998 году. Основной протагонист (в отдельных играх и дополнениях мы играем за иных персонажей) — молчаливый физик-теоретик Гордон Фримен. Исходя из неких сценарных соображений, авторы игры отправили теоретика в самое сердце эксперимента физики высоких энергий в роли лаборанта. Как водится, эксперимент идет не по плану (никогда не отправляйте теоретика делать важный эксперимент! — прим. авт., физ.-теор.) и вызывает разрывы в тканях реальности — каскадный резонанс (хотя более правильным вариантом перевода термина «resonance cascade» был бы «каскад резонансов»), в результате чего на Землю вторгаются существа из иного измерения.

Игра обладала высочайшим на тот момент уровнем взаимодействия игрока с окружающим миром, инновационным дизайном, нарративом, который продвигался без использования кат-сцен, и множеством других достоинств — не будет преувеличением сказать, что все сюжетные шутеры вышли из шинели Гордона Фримена (да и слешеры тоже — многословен ли, например, Погасший в Elden Ring?). Half-Life моментально стала хитом, заслужила огромное количество наград, а народная любовь к ней породила не менее популярные моды — в первую очередь Counter-Strike, в нулевые годы испортивший академическую успеваемость тысяч школьников по всей планете.

Не последнюю роль в ошеломляющем успехе сыграла проработка уровней и атмосферы научно-исследовательского комплекса Black Mesa («Черная Меза» в русском переводе, хотя второе слово можно перевести также и как «Гора»), в котором происходит большая часть игры. Строго говоря, само название игры — английский термин для периода полураспада, а логотип всей франшизы, строчная лямбда λ, обозначает в ядерной физике постоянную распада.

После Half-Life геймеры стали уделять экспериментам в области физики высоких энергий определенно больше внимания. Шутки о риске повторить судьбу Черной Мезы достигли своего апогея в момент запуска Большого адронного коллайдера: на фотографиях из ЦЕРНа был замечен человек, похожий на Гордона Фримена.

Пользователи Reddit быстро собрали для Сандро Боначини — так на самом деле зовут этого человека — «комплект для спасения мира», включающий в себя монтировку (самое первое оружие в игре), игрушечного хэдкраба (самый первый монстр в игре) и руководство по игре Half-Life. Боначини не разочаровал фанатов и провел для них целую фотосессию с использованием присланного реквизита.

Но, строго говоря, интерьеры Черной Мезы были далеки от настоящих физических лабораторий. Особое умиление у разбирающихся в физике игроков вызывали маркерные доски, висящие на стенах. Такие доски действительно есть почти в каждой лаборатории, однако их содержание в Half-Life выглядело нелепо. Угловатые NPC в белых халатах больше были похожи на семиклассников — одни задумчиво рассматривали формулу ньютоновского тяготения, другие глубокомысленно взирали на эйнштейновское выражение для эквивалентности массы и энергии.

Проснитесь и пойте

В 2004 году, после выпуска продолжения похождений Фримена в игре Half-Life 2, сделанной на новом движке Source, две команды энтузиастов объединились в одну под названием Crowbar Collective, чтобы перенести на него первую часть. Работа была одобрена и поддержана правообладателем франшизы, компанией Valve, и заняла 16 лет.

Главной целью Crowbar Collective было применить всю мощь нового (на тот момент) движка к оригинальному шедевру. Энтузиасты причесали все игровые локации, вырезали часть монотонного контента, а также полностью переработали финальные уровни, действие которых происходит в мире Зен (Xen). Не остались без внимания и интерьеры Черной Мезы — и наиболее эффектной деталью обновленного НИИ стали именно доски. Ими занимался Крис Хорн, один из ведущих геймдизайнеров Crowbar Collective

Всего в игре 33 доски с различной организационной и научной информацией, включающей физику, химию и ксенобиологию. Основная их часть стоит в лабораториях Черной Мезы, часть — в аванпосте в Зене, и одна — секретная — находится рядом с логовом одного из боссов игры. Помимо декоративной функции, доски используются для взаимодействия с игроками через игру в альтернативной реальности (ARG), а также рассказывают побочную сюжетную линию о группе ученых, исследовавших Зен под руководством полного тезки геймдизайнера, доктора Хорна.

В отличие от оригинала, доски в Black Mesa испещрены сложными формулами, рисунками и схемами. 18 из них посвящены разнообразным областям физики, и по ним можно понять, чем именно занимались ученые в Черной Мезе.

Аномальные материалы

Первая серия досок расположена в лаборатории аномальных материалов, входящей в состав Сектора C Черной Мезы. Именно там расположен антимасс-спектрометр, эксперимент на котором привел к катастрофе. Доски, которые мы встречаем в этой лаборатории, в основном рассказывают нам о свойствах исследуемых здесь иноземных кристаллов и разъясняют то, как именно с их помощью можно открывать порталы в другие измерения.

Первая доска посвящена перемещениям со сверхсветовой скоростью через червоточины (кротовые норы). О том, что речь идет именно об этих туннелях пространства-времени, нам говорит схема в верхней части рисунка.

Кротовая нора на доске — проходимая. Выкладки физиков начинаются с введения метрического тензора, выраженного в координатах Шварцшильда, для червоточины Морриса — Торна. Вывод совпадает с тем, к чему пришли Моррис и Торн в своей оригинальной статье. Физики из Черной Мезы также заключают, что для образования проходимой червоточины требуется экзотическая материя с отрицательной массой, поскольку только она сможет удержать горловину кротовой норы от коллапса. С построчным разбором выводов на этой доске вы можете ознакомиться в блоге физика и математика Самуэля Лереа.

Лереа считает, что тема доски несколько выбивается из общей материаловедческой направленности лаборатории и ей место скорее в комплексе Лямбда (Сектор F), где изучают телепортацию. Мы, в свою очередь, на это возразим, что образцы, изучаемые в этой лаборатории, как раз содержат в себе экзотическую материю.

Кстати, в нижнем левом углу доски есть пометка о некотором проекте, связанным с искусственным интеллектом. К нему мы вернемся чуть позже.

На этой доске мы видим изображение образца EP-0021 — внеземного минерала зения, обладающего теми самыми экзотическими свойствами, необходимыми для удержания кротовой норы от коллапса. Именно этот образец Гордон Фримен изначально должен был поместить в луч антимасс-спектрометра.

Слева мы видим заметки физиков о результатах ЯМР-исследований образца, а также можем узнать, что все схожие образцы светятся зеленым светом из-за черенковского излучения (+ несколько формул из Википедии). Заметки говорят, что образец почти на 32 процента состоит из экзотической материи с отрицательной массой, а также является поляризованным диэлектриком с системой зарядов внутри (вероятно, речь идет о сегнетоэлектрике). Из надписей мы также можем узнать, что кристалл демонстрирует моноклинную и тригональную сингонии, благодаря чему обладает двойным лучепреломением (соответствующие формулы прилагаются). Мы даже можем сказать, что обыкновенный и необыкновенный показатели преломления кристалла равны 1,65 и 1,49, соответственно.

Если вы хорошо помните сюжет игры, то наверняка знаете, что образец EP-0021 до антимасс-спектрометра так и не добрался. Усилиями таинственного G-Man’а он был в спешке и в обход стандартных процедур заменен на образец GG-3883, содержащий большую долю экзотической материи и, как следствие, менее стабильный. Именно его Фримен вкатил под луч антимасс-спектрометра, запустив каскад резонансов и открыв порталы в Зен. Надпись в левом нижнем углу доски обслуживает эту сюжетную арку: некто доктор Трумэн просит изменить стандартную процедуру тестов для нового образца.

Здесь мы видим дополнительные сведения о EP-0021. Физики, исписавшие ее, докладывают о возникновении стримеров, то есть разрядов, представляющих собой плазменные трубки, вследствие вспышек нулевой энергии. Ученые связывают их появление с воздействием отрицательной массы и отмечают, что такое встречается и в менее чистых (<21 процента экзотической материи) образцах, но не знают физического механизма, лежащего за этим явлением. График ниже представляет собой ЯМР-спектр образца, с отмеченным на нем аномальным резонансом.

В правой части доски мы видим формулу для потенциала ван-дер-ваальсовского взаимодействия двух сфер с гладкими поверхностями, выведенную Гуго Гамакером. Надпись «dispersion interactions» отсылает, по-видимому, к тому факту, что вывод этой формулы опирался на формулу Лондона для дисперсионных сил (правильнее было бы написать «dispersive interactions», то есть дисперсионных взаимодействий).

Надписи справа говорят нам о том, что частицы антиматерии, испущенные антимасс-спектрометром, будут почему-то отскакивать из-за особых оптических свойств кристалла. На диаграмме снизу они обозначены красным цветом. Два возможных сценария отскока, a и b, коррелируют с известными пиками на ЯМР-спектре слева. Не ясно также, что именно будет двигаться по черной спиральной траектории в эксперименте, но обычно так ведут себя электрические заряды в постоянном магнитном поле, что используется для определения типов частиц по их трекам в пузырьковых камерах и отчасти в традиционных масс-спектрометрах.

Эта доска также посвящена искривлениям пространства-времени. В самом верху мы видим выражение для метрики Эллиса — Бронникова, которая лежит в основе еще одного типа проходимых червоточин. Физики пишут, что для такой кротовой норы чистота образца должна превышать 51,65 процента. В диаграмме слева можно узнать трубу Красникова — тип искривления пространства-времени, который, как предполагают теоретики, можно использовать для космических путешествий.

Наконец, остальная часть доски посвящена эффекту Казимира. Формулы, по-видимому, взяты из соответствующей статьи в Википедии. Дело в том, что эффект Казимира принято считать доказательством существования отрицательной плотности энергии, которая необходима для манипуляций с пространством-временем.

Кстати, вакуумные флуктуации, ответственные за этот эффект, часто называют нулевой энергией вакуума. Как мы знаем из прошлой доски, именно она отвечает за разряды внутри образца. Физики предполагают, что ее флуктуации определяют направление кристаллизации образца, и, следовательно, его оптический отклик.

Справа мы видим пометку о том, что это пригодилось бы для нужд оптроники (по-русски чаще говорят «оптоэлектроника»), которой занимаются в других лабораториях Черной Мезы. Но об этом позже.

Пропустим одну чисто химическую доску, посвященную ракетному топливу, и перейдем сразу к этой. В самом верху мы можем увидеть уравнение, выраженное в алхимических символах и включающее в себя кислоты, золото и другие элементы. С ним рифмуются уравнения химических реакций, описывающие растворение золота в царской водке (смеси азотной и соляной кислот) в ионном виде, а также процессы, протекающие в этой смеси без золота.

Ниже мы видим современную ипостась алхимии — реакции превращения ядер. В частности, длинное уравнение описывает последовательное превращение ядер золота под действием нейтронной бомбардировки в стабильный изотоп свинца за счет серии бета-распадов. Уравнение этой реакции мы также можем встретить в Википедии.

В исходниках можно разглядеть надпись, из которой мы делаем вывод, что физики хотели развернуть эту реакцию. Это не что иное, как заветная цель всех алхимиков — превращение свинца в золото, которое методами ядерной физики хоть и осуществимо, но крайне не рентабельно.

Также на доске присутствует фейнмановская диаграмма для бета-распада нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино при участии тяжелого W-бозона. Рядом с ней приведены выкладки, выводящие выражение для периода полураспада радиоактивных ядер.

Непредвиденные последствия

Следующие три доски посвящены низким температурам и экспериментам с жидким гелием-3. В игре соответствующие лаборатории разрушены и повсюду валяется снег из криостатов.

Эта доска целиком посвящена сверхтекучести в жидком гелии-3. Если конкретнее — образованиям вихрей на его поверхности. Слева направо записан вывод функционала свободной энергии, который впоследствии следует минимизировать с учетом диполь-дипольного взаимодействия, связи с внешним магнитным полем и градиентом параметра порядка. При этом жидкость расслаивается на вихревые листы. Маленький график, взятый отсюда, иллюстрирует радиальные распределения нормальной и сверхтекучей скоростей в жидкости.

Внизу мы видим нарисованную фазовую диаграмму гелия-3 при температуре ниже трех милликельвин. Рядом приведено выражение для комплексной матрицы A, которая представляет собой параметр порядка жидкого гелия.

Здесь тема сверхтекучего гелия-3 продолжается. Физики описывают влияние доменной структуры такой жидкости на ЯМР-спектр. На рисунке ниже показан результат расчета для одной из структур, образующейся в жидком гелии, — солитона, а также для перпендикулярной компоненты потенциала, в которой он образуется. Все формулы и рисунки на этой и предыдущей доске взяты из этой статьи.

Справа приведены уравнения для спиновой динамики в жидком гелии-3. Сворачивание вихревых листов приводит к образованию характерных структур, приведенных на рисунке ниже. Его можно найти в одной из упомянутых статей, а также в этой работе.

Надписи на этой доске посвящены параметру порядка в А-фазе сверхтекучего гелия. Внизу упоминается эффект Джозефсона. Как правило, этот эффект ассоциируется с туннелированием сверхпроводящего тока через границу, разделяющей два сверхпроводника. Но его аналог был также обнаружен и для границы между двумя сверхтекучими жидкостями. Здесь мы видим графики осцилляций сверхтекучего тока и энергии в зависимости от разности фаз по разные стороны барьера.

Рисунок и надписи в правом нижнем углу рассказывают нам об экспериментах по выращиванию кристаллов гелия-3. Для этого гелий охлаждают методом адиабатического размагничивания и следят за толщиной образующегося кристалла с помощью многолучевого интерферометра Фабри — Перо. Изображение перерисовано с сайта одной из научных групп Университета Аалто, которая занимается ровно тем же самым.

Сомнительная этика

Следующая группа досок расположена, как ни странно, в Передовой биологической лаборатории, где земные ученые исследуют пришельцев. Но второй этаж комплекса по какой-то причине заняли физики, построив здесь мощный непрерывный лазер (который, впрочем, и не лазер вовсе).

В отличие от остальных досок, эта содержит в себе меньше всего реальной науки. Набор цифр на ней — часть ARG-игры, которую Крис Хорн встроил в Black Mesa.

На доске изображена схема этажа, расположение четырех лазерных источников и пути лучей от них, которые должны объединиться в главной комнате ради выстрела в опускающийся экран. По сюжету Гордон Фримен должен запустить все источники и сделать выстрел, заблокировав опускание. В этом случае установка пробивает ему в стене путь дальше.

Примечательно, на рисунке обозначена мощность лазера — 1,21 гигаватт, в которой легко узнается отсылка к конденсатору потока из «Назад в будущее». В реальности непрерывный лазер такой мощности (в отличие от импульсного) создать невозможно — он просто перегреется. Рекордные значения современных источников не превышают мегаватта. Да и отражать гигаваттные лучи с помощью зеркал и призм невозможно — лазер их просто сожжет, — а их распространение по коридорам будет сопряжено с большими потерями на дифракционную расфокусировку и рассеяние.

Но, пожалуй, самое важное на этой доске — это указание на то, что представленная установка — это вовсе не лазер (в отличие от устройства, изображенного на одной из бумажек в начале игры), а «таонная оптронная пушка», то есть лазерный ускоритель тау-лептонов. Это звучит немного бессмысленно хотя бы потому, что оптроника по определению описывает взаимодействие света с электронами, а не таонами. Таоны или тау-лептоны — сверхтяжелые собратья электронов — живут настолько мало, что не способны распространяться далеко. Мы разбирали этот вопрос в недавней заметке, доказывая, что тау-пушка стреляет именно фотонами.

Правда, в тот момент у нас не было исходников текстур. По ним уже четко видно: Крис Хорн задумывал весь комплекс как большой ускоритель таонов, хотя это противоречит известной нам физике.

Почему же тогда поток тау-лептонов пробивает стену, но не пробивает экран? На схеме сказано, что это не просто экран, а тепловой дефлектор. Однако отвечать на вопрос о том, что это меняет, смысла не имеет — никакого специфического взаимодействия между тепловым дефлектором и потоком таонов нет.

Здесь изображена схема тау-пушки — переносной версии таонных источников, расставленных по лаборатории. По этой доске мы можем сделать вывод о том, как устроено все остальное на этом этаже. В предыдущем блоге мы кратко объяснили, почему устройство этой схемы позволяет считать ее скорее фотонной пушкой, нежели тау-лептонной. Давайте разберемся в этом поподробнее.

В самом верху нас встречает название устройства: «оптронная линейная пушка на ускоренных лептонах» (Accelerated Lepton Optronic Linearity Cannon). Пометка «Mk2», то есть «Вторая модель», может быть намеком на то, что это устройство отличается от оригинала из классического Half-Life.

Большая красная формула — это спектр тормозного излучения (Bremsstrahlung), которое испускают свободные электроны в горячей плазме. Она дословно повторяет формулы (16) и (17) в статье, посвященной природе излучения космических радиоисточников. Тормозное излучение вместе с синхротронным являются главными вкладами в нетепловое излучение плазмы. С ростом ее температуры они становятся существенными факторами потери ее энергии.

Про синхротронное излучение на доске тоже говорится. Об этом свидетельствуют надписи и формулы в нижней части доски. В частности, мы видим выражение для мощности излучения релятивистской заряженной частицы, движущейся с произвольной скоростью (β это вектор безразмерной скорости), — оно встречается много где, например, здесь. В частном случае циркулярного движения, когда ускорение заряда перпендикулярно его скорости, формула упрощается.

График слева был некоторыми трактован как отсылка к теории, описывающей эффект Сюняева — Зельдовича из-за аргумента вида k_BT_e/M_ec². Этот эффект связан с искажением спектра реликтового излучения при его рассеянии на горячих электронах межзвездного газа. Однако этот же аргумент, состоящий из постоянной Больцмана, температуры электронов, их массы и скорости света, встречается и в теории тормозного излучения (выделен зеленым на первой формуле). К сожалению, надписи около осей разобрать невозможно даже в исходниках, однако можно предположить, что на рисунке приведен результат сложения спектров теплового и нетеплового излучений.

Интересны и сами схемы. Из них мы делаем вывод, что вторая версия тау-пушки содержит в себе:

• приклад,
• процессор (ему не хватает ядер!),
• блок с трехсекционной ядерной прометий-неодимовой батареей, питающей синхротронные катушки,
• индуктор электромагнитного излучения («EM Field Inducer»), контролирующий тормозное излучение,
• еще несколько катушек, камер и каналов.

Можно сделать вывод, что тау-пушка с помощью электромагнитов поддерживает внутри себя плазму, излучающую некогерентные фотоны. Сложно сказать, каков элементный состав плазмы, возможно там идет какая-то реакция ядерного синтеза с участием прометия и неодима (нам показывают электронную конфигурацию прометия). Кстати, его изотоп прометий-147 действительно используют в батареях.

Во всем этом великолепии смущает только «ν_τ conduit», то есть «канал для тау-нейтрино». Эта пометка дает понять, что Хорн все же считает тау-пушку ускорителем таонов. Кроме того, на одной из следующих досок мы узнаем, что таон-антитаонные пары создаются в ней в результате неизвестной реакции с участием ядер неодима. Едва ли мы в обозримом будущем научимся управлять потоками нейтрино — слишком уж они слабо взаимодействуют с веществом. Тем не менее, отвод нейтрино упоминается на одной из следующих досок.

Кстати, маленькая красная формула в оранжевом облачке — это, видимо, пасхалка. Это буквальное выражение, связывающее период полураспада с постоянной распада λ.

В самом начале мы видим уравнение бета-распада ядра ⁶⁰Co и последующую релаксацию образовавшегося ядра ⁶⁰Ni.

Дальнейшие выкладки внезапно стартуют с метрики Шварцшильда и в целом повторяют вывод для мощности хокинговского излучения, приведенный в одноименной статье в Википедии. Внизу идут оценки мощности такого излучения, сделанные для черной дыры солнечной массы.

Схема в правом углу напоминает устройство термоядерной бомбы: в ней также могут использоваться тротил, уран с плутонием и литий-6.

На этой доске продолжаются вычисления для хокинговского излучения. Здесь даются оценки для времени испарения черных дыр солнечной и планковской массы.

В пометке справа доктор Хорн делится уверенностью: вычисления доказывают, будто бы любые аномалии («квантовые черные дыры»), возникшие в синхротроне того же типа, что использовался во второй версии тау-пушки, будут рассеяны через излучение Хокинга.

Довольно эклектичная доска. Сначала нам показывают фейнмановскую диаграмму основных распадов тау-лептона, взятую прямиком из Википедии (и даже заботливо указывают вершину, в которой таон уничтожается). По надписям видно, что физики поставили амбициозную задачу обуздать нейтрино, то есть вернуть энергию, затраченную на их рождение в процессе распада тау-лептонов. Это выглядит несколько наивно, учитывая то, насколько нейтрино слабо взаимодействуют с веществом. Они легко проходят сквозь Землю, и все лаборатории мира суммарно детектируют в лучшем случае пару тысяч нейтрино в год. Сложно представить, чтобы нейтрино можно было пустить по шлангу в нужную сторону.

Справа виднеется диаграмма одного из вариантов глюон-глюонного рассеяния, сопровождающегося рождением бозона Хиггса, который затем распадается на таон и антитаон. Снизу стоит пометка: итоговые пары рождаются как побочный эффект взаимодействия ядер неодима. Предполагается, видимо, что именно этот эффект лежит в основе работы тау-пушки и стационарного «лазера», который включает игрок, чтобы выбраться из Передовой биологической лаборатории. И хотя приведенная диаграмма технически возможна (например, глюоны могут взаимодействовать при столкновении ядер), таонные пары обычно получают, сталкивая электроны с позитронами на ускорителях, что даже близко не похоже на то, что мы видим в игре. С другой стороны, диаграмма может быть отсылкой к другому фантастическому оружию Фримена — глюонной пушке (в народе получившей имя «пылесос»).

Большой участок с формулами — это выдержка из учебников по классической электродинамике, описывающая потенциалы, поля и мощности излучения в системах СИ и СГС с учетом запаздывания. В облачке нарисована диаграмма, иллюстрирующая релятивистское замедление времени в системе из двух часов — ее можно встретить в статье из Википедии.

Наконец, в исходниках нет силовых линий магнитного поля соленоида с семью витками, которые дорисованы для соответствующей доски в игре. Как все это связано — загадка.

Эта доска посвящена по большей части кварковой модели элементарных частиц. Цветовая симметрия определяет то, в каких комбинациях кварки формируют адроны. На рисунке изображены октет мезонов и декуплет барионов, которые появляются при систематизации сильно взаимодействующих частиц в рамках восьмеричного пути.

Снизу мы видим диаграмму превращения пары лептонов в пару кварков с ошибкой — два электрона вместо электрон-позитронной пары — которая попала сюда, очевидно, из иллюстрации к статье в Википедии о фейнмановских диаграммах.

Справа приведены уравнения бета-распада нейтрона, а также нескольких чисто лептонных взаимодействий. Среди них, кстати, есть реакция превращения электрон-позитронной пары в таон-антитаонную. А цифра 1776,84 отсылает нас к среднемировому значению массы тау-лептона на момент создания игры.

Зен

Следующие четыре физические доски мы встречаем в мобильных жилищах и лабораториях ученых, расположенных в Зене. Судя по всему, из всех физиков туда отправили в основном оптиков, пишущих очень мелким почерком.

Доска встречает нас формулами классической теории дисперсии, описывающих зависимость показателя преломления от длины волны. Далее описан случай комплексного показателя преломления, мнимая часть которого ответственна за затухание излучения по закону Бугера.

На большом рисунке изображена цилиндрическая нанолинза (или металинза) диаметром 200 и длиной 400 нанометров, состоящая из элементов, размер которых меньше длины волны. В реальном мире такие устройства позволяют преодолевать дифракционный предел. Здесь же элементы выполнены из аномального вещества, которое было выделено из кристаллов зения. По предыдущим доскам мы знаем, что эти кристаллы обладают нетривиальными оптическими свойствами.

Иллюстрация в центре дает нам представление о комбинированном оптическом элементе, состоящем из трех таких нанолинз, настроенных под красный, зеленый и синий цвета со своими каналами входа излучения. Подложка для этого элемента является метаматериалом.

Зачем физикам нужна экзотическая материя для оптического устройства? Ответ на это дает сам Хорн в переписке с игроками: физики строили голографическое устройство высокого разрешения с возможностью тактильного взаимодействия. Последнее, видимо, создается за счет гравитационных аномалий. Мы имели дело с голограммами в оригинальной Half-Life во время прохождения обучающего уровня — скорее всего, это они и есть.

Справа мы видим сравнение формул для кулоновской и гравитационной сил. Их схожесть заставляет физиков Черной Мезы сформулировать идею «гравитационного заряда». Впрочем, не их одних. Рисунок и выкладки снизу посвящены переходу из линейного поляризационного базиса в циркулярный, выполненный в нотации Дирака.

Эта доска также про нанооптику. Сначала мы видим предписание использовать шершавые поверхности для проведения анализа рассеяния — это техника, которую действительно применяют для исследования метаматериалов. При этом необходимо использовать фосфид галлия, чтобы замедлить свет. Его часто используют в оптике, но для замедления света это делают редко. 250 квадратных сантиметров на вольт на секунду — это параметр подвижности электронов в образце. Образцы фосфида галлия, действительно, часто обладают такой подвижностью электронов.

Далее сказано про необходимость и дальше улучшать разрешающую способность голографического устройства вплоть до молекулярного уровня. Это предлагается делать с помощью гиперлинз из метаматериалов с гиперболической дисперсией. Но внизу мы видим формулы и иллюстрацию к работе другого типа линз — плоских линз на основе метаматериалов с отрицательным показателем преломления, взятые из Википедии. Эти металинзы также способны сжать свет в пятно, меньше, чем длина волны.

Справа мы видим задачку из учебника по квантовой механике. В ней частица налетает на потенциальный барьер произвольной формы. В случае если она не может его преодолеть, часть ее волновой функции все равно простирается вперед, довольно сильно затухая. Такие волны называют эванесцентными. В оптике эванесцентные моды популярны из-за того, что из-за комплексного значения волнового вектора они свободны от ограничений дифракционного предела. Они несколько раз упоминаются на досках.

Такие волны можно создать и по-другому. Например, если облучать лазером поверхность металла, в нем появятся колебания электронной плотности — плазмоны. Плазмоны не существуют сами по себе: энергия их колебаний периодически превращается в свет в форме фотонов (а, точнее, поляритонов). Такой свет также эванесцентный и может быть сконцентрирован в нанометровую область в силу небольших размеров плазмона. Схематическое изображение поверхностных плазмон-поляритонов и соответствующие формулы можно найти в нашей заметке про эванесцентные моды.

Третья доска продолжает тему поверхностных плазмон-поляритонов и знакомит нас с их дисперсионными соотношениями с помощью формул и графиков из Википедии. Рисунок из левой половины рассказывает нам немного больше про голографическое устройство. Из него мы узнаем, что метаэлемент обладает нелинейными свойствами. Например он демонстрирует генерацию второй гармоники.

Справа — схема устройства, которое генерирует эванесцентные волны с помощью полного внутреннего отражения. Это еще один способ преодоления дифракционного предела, активно применяемый на практике. Он лежит в основе одноименного метода микроскопии. Ниже предлагают использовать усилитель на основе 500-мегаваттного рубинового лазера на длине волны 694,3 нанометра, чтобы контролировать рассеяние света (не очень понятно, как именно). Здесь также упомянут искусственный интеллект HALOS, который должен управлять голографичекой системой.

Число 8980 — это коэффициент, связывающий частоту колебаний плазмы с концентрацией электронов в ней.

Эта доска уходит от нанооптики в сторону сразу нескольких разделов физики. Вверху мы видим распределение частиц в квантовой хромодинамике по схеме сильных зарядов для трех цветов кварков, трех антикварков и восьми глюонов с двумя перекрывающимися нулевыми зарядами. Ниже приведен КХД-лагранжиан (опять Википедия).

Далее мы видим общие формулы, посвященные квантовой механике спина. График сообщает нам о том, как меняется населенность спинов по мере удаления от источника поляризованного спинового тока. Подробнее об этом можно почитать в вики-статье про спинтронику. Пометка о спиновых состояниях отсылает к лаборатории доктора Стоуна в Секторе C, где занимаются жидким гелием-3.

Формулы посередине повторяют учебник по теоретической механике и рассказывают, как получить уравнения вариационным методом из принципа наименьшего действия. Наконец, справа — максвелловский электромагнетизм. Это примечательная картинка, на ней изображена механическая модель молекулярных вихрей. Эта модель нужна была Максвеллу, чтобы попытаться дать механическое объяснение (безуспешно) работы электромагнитного поля. Источник картинки — здесь.

Мудрый выбор, мистер Фримен

Итак, мы прошлись по всем доскам в Black Mesa, на которых есть какая-либо физика. Всего их 18 штук из 33. Мы поговорили о гравитации и теории относительности, физике элементарных частиц, ядерных превращениях, сверхтекучести и нанооптике — внушительный профиль, который могут себе позволить только крупные мировые физические институты.

Мы выяснили много интересного. Например, мы узнали, что гигантский лазер, который нужно запускать по сюжету, — это не лазер, а ускоритель таонов. А тау-пушка — его компактная версия. Вместе с тем мы показали, что это невозможно, и что тау-пушка, собранная так, как изображено на одной из досок, должна излучать фотоны.

А еще мы узнали, что довольно часто написанное на досках имеет непосредственное отношение к происходящему в игре. Более того, многие доски связаны друг с другом и ссылаются друг на друга, даже если они развешаны в разных лабораториях. Все это безусловно способствует погружению в игру, а труд Криса Хорна, равно как и всей команды Crowbar Collective, заслуживает оценки «отлично».