 Существование загадочной формы материи под названием "кристаллы времени" должно быть физически невозможным. Однако это не так.
Физик Кристофер Монро проводит свою жизнь, тыкая в атомы лучем света. Он свивает их в кольца и цепи, а затем массажирует лазерами, исследуя свойства. В прошлом году он решил попробовать что-то, казалось бы, невозможное - создать кристалл времени.
Название звучит как фантастика, но имеет прямое отношение к физике. Кристаллы времени - гипотетические структуры, которые пульсируют, не требуя какой-либо энергии. Узор повторяется во времени, также как узор расположения атомов в кристаллической решетке повторяется в пространстве. Идея была настолько сложной, что, когда нобелевский лауреат, физик Вильчек, в 2012 году предложил эту провокационную концепцию, другие исследователи быстро отреагировали, заявив, что нет никакого способа создать кристалл времени.
Но лазейка была - и исследователи, выделив поиск в отдельную ветвь физики, нашли способ использовать ее.
Монро, физик из Университета штата Мэриленд, и его команда использовали цепочки атомов, чтобы сделать прототип кристалла времени.
Одновременно еще одна группа из Гарвардского университета, независимо от Монро, "слепила" кристалл времени из «грязных» алмазов. Версии обеих групп считаются кристаллами времени, правда, не такими, какими их предполагал Вильчек.
Они также являются первыми примерами замечательного вида материи - системы квантовых частиц, которая постоянно меняется и никогда не достигает стабильного состояния. Система получает стабильность от случайных взаимодействий, которые обычно разрушают другие виды материи. Это новый вид порядка, который ранее считался невозможным.
Вильчек придумал кристаллы времени как способ нарушить правила. Законы физики симметричны в том, что они в равной степени относятся ко всем точкам в пространстве и времени. Тем не менее, многие системы нарушают эту симметрию. В магнитах спины атомов выстраиваются в линию, а не указывают во всех направлениях. В кристаллической решетке минералов атомы занимают заданные положения в пространстве, и если же этот порядок нарушается, то кристалл выглядит совершенно по другому. Когда преобразование структуры вызывает изменения свойств, физики говорят о "ломке симметрии", и эта "ломка" лежит в корне магнетизма, сверхпроводимости и даже механизма Хиггса, дающего массу всем частицам.
В 2012 году Вильчек задался вопросом, почему симметрия времени никогда не нарушается (время движется только вперед), и можно ли создать что-то, что нарушит эту симметрию. Он назвал это "что-то" кристаллами времени.
Экспериментаторы представили возможную квантовую версию такого кристалла в виде колец атомов, которые вращаются и пульсируют бесконечно, циклами, возвращаясь к начальной конфигурации. Свойства кристалла будут бесконечно синхронизироваться во времени, так же, как позиция атома скоррелирована в реальном кристалле. Система будет находиться в самом низком энергетическом состоянии, движение не потребует никакой внешней силы. По сути, это вечный двигатель, не производящий никакой полезной энергии.
По определению, система в состоянии с наименьшей энергией почти не изменяется во времени. Если это остаточная энергия, которая почти рассеялась, то вращение в ближайшее время прекратится. Но проблема еще более тонкая, чем кажется. Вечное движение не является прецедентом в квантовом мире: в теории, сверхпроводники проводят электричество всегда (поток является однородным, не меняется во времени).
Эти противоречивые вопросы крутились в голове японского физика Харуки Ватанабе, когда он сдавал экзамен на доктора философии в Беркли. Он представлял работу по симметрии пространства, а руководитель спросил его о следствиях в виде кристалла времени Вильчека. Ватанабе не смог ответить на экзамене и задался вопросом: как убедить людей, что это невозможно?
Вместе с другим физиком, Масаки Ошикава, Ватанабе предпринял попытки доказать свой интуитивный ответ математически строгим образом. Формулируя проблему с точки зрения корреляций в пространстве и во времени между удаленными частями системы, физики в 2015 году вывели теорему, показывающую, что кристаллы времени невозможно создать для любой системы в самом низком энергетическом состоянии. А также подтвердили, что они невозможны для любой системы, находящейся в равновесии, достигшей устойчивого энергетического состояния.
Для физического сообщества все было ясно. Но в доказательстве теоремы была лазейка. И Кристофер Монро ею воспользовался.
Он предположил, что кристаллы времени могут существовать в системах, не достигших устойчивого состояния и находящихся вне равновесия. И теоретики всего мира задумались о создании альтернативных версий кристаллов времени.
Прорыв случился тогда, когда ученые не думали о кристаллах времени вообще.
Шиваджи Сондхи, физик-теоретик из Принстона, рассматривал вопрос об изолированных квантовых системах из "супа" взаимодействующих, неоднократно ударяющихся друг о друга частиц. Учебник физики гласит, что система должна нагреться и превратится в хаос. Но в 2015 году Сондхи вдруг предсказал, что при определенных условиях, вместо хаоса образуется фаза материи, не существующая в равновесии - система частиц, производящая тонкие корреляции, повторяющие "узор" во времени с определенной периодичностью.
Предположение Сондхи привлекло внимание Шетана Наяка, одного из бывших студентов Вильчека. И вскоре он понял, что эта странная форма материи может быть типом кристалла времени. Но не того, о котором говорил Вильчек: система не могла бы находится в самом низком энергетическом состоянии и требовала бы регулярного ударного импульса. Но был бы не совпадающий с ударами устойчивый ритм, а это означало бы, что временная симметрия нарушается.
Это примерно как играть со скакалкой, когда рука делает два оборота, а скакалка только один.
Монро, услышав о предлагаемой системе, был заинтригован.
В прошлом году он приступил к попытке сформировать атомы в кристалл времени. Рецепт был невероятно сложным, но решающее значение имеют только три компонента: сила, действующая на частицы; способ, которым можно заставить атомы взаимодействовать друг с другом; и элемент случайного беспорядка. Сочетание этих факторов, с точки зрения Монро, гарантирует, что, во-первых, частицы ограничены в получении энергии, и во-вторых, это позволяет системе поддерживать постоянное состояние.
В своем эксперименте он стрелял из лазера очередями в цепь из десяти ионов иттербия: первый лазер переворачивал спины, второй заставлял спины взаимодействовоать друг с другом случайным образом. Такое сочетание вызвало колебания спинов атомов, и два раза за период они переворачивались. Более того, исследователи обнаружили, что даже если они начали переворачивать систему "несовершенным" образом, например, путем незначительного изменения частоты выстрелов, колебания оставались прежними. Система по-прежнему оставалась стабильной, как и обычные кристаллы устойчивы к любым попыткам вывести их атомы в кристаллической решетке из стабильного положения.
В Гарварде физик Михаил Лукин пытался сделать что-то подобное, но в совершенно иной системе - в куске алмаза, пронизанного миллионом дефектов, создающих естественный "беспорядок". Для поворота спинов Лукин и его команда использовали микроволновые импульсы.
Физики соглашаются, что в таких системах нарушается временная симметрия, и математически системы удовлетворяют критериям кристалла времени. Но дебаты о том, следует ли все-таки называть их "кристаллами времени", пока продолжаются.
Зеленый свет показывает кристалл времени, сформированный в сеть электронных спинов (красные) в дефектах алмаза.
Зачем нужны кристаллы времени, кроме того, что сама идея о том что время - это кристалл, является захватывающей?
Они могут иметь несколько практических применений. Можно будет создавать квантовые системы, работающие при высоких температурах. Физики "запутывают" квантовые частицы при температурах, близких к абсолютному нулю, чтобы смоделировать поведение материалов, которое не может быть смоделировано на классическом компьютере.
Кристаллы времени представляют собой стабильную квантовую систему, которая существует выше этих температур (в случае алмаза Лукина - вообще при комнатной температуре), потенциально открывая двери для квантового моделирования без криогенов.
По мнению Лукина, кристаллы времени можно использовать в супер-точных датчиках. Его лаборатория уже использует алмазные дефекты для обнаружения малейших изменений температуры и магнитного поля. Этот подход имеет свои пределы: если на небольшом участке расположено слишком много дефектов, их взаимодействия разрушают хрупкие квантовые состояния. А в кристалле времени взаимодействия служат стабилизации, а не разрушению - именно так Лукин смог использовать миллионы дефектов алмаза, чтобы получить сильный сигнал.
История создания кристаллов времени - прекрасный пример того, как разные подходы приводят к одному результату, и конкретный рецепт оказывается лишь одним из многих способов создать кристалл времени .
По материалам nature.com | 
