«Переводы»: Новое состояние вещества. Что такое временные кристаллы? «Кристаллы времени» могут перевернуть теоретическую физику Комментарий от Hypersonguy

Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вилчек предложил необычную идею. Он предположил (и попытался доказать) возможность существования «кристаллов времени». Такие структуры, по словам физика, получают энергию для своего движения из разлома в симметрии времени. Разлом, по словам Вилчека, является некой особой формой вечного движения.

Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.

Вилчек говорил об этом возможном явлении еще в 2010 году: «Я постоянно думал о классификации кристаллов, а затем я подумал, что ведь можно представить и пространство-времени с этой точки зрения. То есть, если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры во времени». В кристаллах атомы занимают стабильную позицию в решетке. А поскольку стабильные объекты остаются неизменными во времени, то существует возможность того, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени. В исходное положение они возвращаются через дискретный интервал, нарушая временную симметрию. Если кристалл не потребляет и не производит энергию, то такие временные кристаллы являются стабильными, находясь в «основном состоянии». При этом в структуре кристалла происходят циклические изменения, что, с точки зрения физики можно считать вечным движением.

У многих физиков возникали сомнения в справедливости гипотезы возможности существования временных кристаллов. Но те ученые, кто принял ее, стали искать способы проверить справедливость предположения Вилчека. И нашли.

Крис Монро из Мэрилендского университета в Колледж-Парке впервые смог создать временной кристалл в своей лаборатории. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца, как утверждал Монро (а до него и другие ученые), энергетическое состояние всей системы понизится до минимального уровня. Другими словами, в таких условиях система переходит в фазу «основного состояния». Если временная симметрия нарушена, то кольцо должно меняться во времени. Другими словами, вращаться. Конечно, извлечь энергию этого движения нельзя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.

Все это - теория. На практике реализовать эту задумку сложнее. О намерении создать кольцо из ионов и проверить справедливость гипотезы временных кристаллов несколько лет назад сообщали ученые из Беркли. Они планировали вводить сотни ионов кальция в камеру небольшого размера. Эту камеру нужно окружить электродами и включить ток. Образующееся электрическое поле позволяет загнать ионы в камеру толщиной примерно в 100 микронов. После чего необходимо «откалибровать» частицы для выравнивания поля. Ионы, отталкиваясь друг от друга, сформировали бы кристаллическое кольцо, распределившись равномерно по внешнему краю камеры.

Предполагается, что ионы в такой ловушке будут находиться в возбужденном состоянии, но при помощи лазера их кинетическую энергию будут постепенно урезать. По плану, температуру системы необходимо довести до 1 миллиардной градуса выше нуля. После того, как система достигает основного состояния, ученые планировали включить статическое магнитное поле. Это поле, если гипотеза временных кристаллов верна, должно было заставить ионы вращаться. После возвращения ионов к исходной точке в пределах определенного временного периода ученые зафиксировали бы нарушение временной симметрии.

Монро пошел схожим путем, только для создания кольца он использовал не ионы калия, а ионы иттербия. Сложностью в реализации идеи является то, что предсказать существование частицы в определенное время в определенном месте не представляется возможным. Правда, благодаря андерсоновской локализации появляется исключение в этом правиле, которое можно использовать. Андерсоновская локализация - явление, возникающее при распространении волн в среде с пространственными неоднородностями и состоящее в том, что вследствие многократного рассеяния на неоднородностях и интерференции рассеянных волн становится невозможным распространение бегущих волн; колебания приобретают характер стоячей волны, сконцентрированной (локализованной) в ограниченной области пространства.

Относительно недавно физики изучили группы квантовых частиц, взаимодействующих друг с другом таким образом, что это взаимодействие вынуждает их локализоваться. Монро смог использовать результаты этого исследования для того, чтобы заставить ионы иттербия занять определенные места в определенное время. В результате был создан временной кристалл, и команда Монро, таким образом, доказала возможность нарушения временной симметрии. При изучении свойств временного кристалла оказалось, что значительное изменение частоты возбуждения ионов заставляет кристалл «плавиться». По мнению ученых, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память.

Правда, работа Монро и коллег еще требует проверки. Другие команды физиков планируют проверить природу эффекта временных кристаллов, повторив эксперимент. Если это удастся, то гипотеза Франка Вилчека станет теорией, и квантовая физика получит стимул для дальнейшего развития.

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вильчек предположил существование нового типа кристалла. Хотя большинство кристаллов имеют структуру, повторяющуюся в двух или трех измерениях, Вильчек представил концепцию кристалла, структура которого воспроизводится четыре раза: три из них соответствуют измерениям пространства, а четвертое — измерению времени. Он назвал эту гипотетическую структуру «кристаллом времени», и лишь в прошлом году ученым удалось выяснить, как можно синтезировать их в лабораторных условиях.

Кристаллы времени

Недавно опубликованные исследования показали, что пресловутые кристаллы времени существуют не только как продукт лабораторной деятельности ученых. Оказалось, что подобные структуры могут формироваться и в естественной среде, при этом сам процесс намного проще, чем представляли себе специалисты. Для человечества это большая удача: кристаллы Вильчека могут быть использованы в практических целях, к примеру для создания сверхточных атомных часов, гироскопов нового поколения и других устройств.

Кристаллы времени проявляют весьма странную активность под воздействием электромагнитных волн. В таком кристалле все молекулы вращаются в определенном направлении, и с каждым новым ЭМ-импульсом оно изменяется. Но даже в том случае, если импульсы носят бессистемный характер, направление вращения все равно изменяется с регулярными интервалами, благодаря чему кристаллы времени могут использоваться как мера отсчета временных интервалов, то есть как универсальные часы.

«Это может сделать даже ребенок»

В прошлом году исследователи выяснили , как создать эти кристаллы в лаборатории с помощью довольно сложной методики, включающей в себя точечное воздействие лазеров на набор атомов иттербия. Однако новая работа физиков из Йельского университета доказала, что синтезировать кристаллы времени так просто, что этим буквально может заниматься ребенок. Они обнаружили, что временные кристаллы образуются внутри обычных кристаллов моноаммонийфосфата, который часто используется в наборах «юного химика» и прочих познавательных игрушках, благодаря которым можно вырастить красивый кристалл в домашних условиях. Теоретически, в каждой такой структуре могут скрываться кристаллы Вильчека. Шон Баррет, автор исследования, отмечает, что физикам это только на руку, поскольку чем дешевле и проще процесс — тем легче его изучать. Теперь им предстоит во всех деталях разобраться в механизме синтеза кристаллов времени и определить, как именно их можно использовать на благо технологического прогресса.

Недавно группа американских физиков смогла сконструировать так называемый "кристалл времени" — структуру, возможность существования которой была предсказана уже давно.

Особенностью кристалла является способность периодически становиться асимметричным не только в пространстве, но и во времени. Поэтому из него можно сделать сверхточный хронометр.

Кристаллы - вообще весьма парадоксальные образования. Взять хотя бы их отношения с симметрией: как мы знаем, сам по себе кристалл, если судить по его внешнему виду, можно считать просто образцом пространственной симметрии. Однако процесс кристаллизации есть не что иное, как ее злостное нарушение.

Это очень хорошо иллюстрирует пример образования кристаллов в растворе, например, каких-нибудь солей. Если проанализировать данный процесс с самого начала, то будет видно, что в самом растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Однако взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными.

аким образом, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами в получившемся кристалле совсем не симметрично. Из этого вытекает ряд важнейших свойств кристаллов - например, эти структуры, в отличие от жидкости или газа, по-разному проводят электрический ток или тепло в различных направлениях (могут проводить на север, а на юг - нет). В физике данное свойство называется анизотропией. Эта кристаллическая анизотропия уже давно используется человеком в различных отраслях, например, в электронике.

Еще одним интересным свойством кристаллов является то, что он, как система, всегда находится на минимальном энергетическом уровне. Что самое любопытное, он намного ниже, чем, например, в растворе, который "породил" кристалл. Можно сказать, что для того, чтобы получить данные структуры, нужно "отнимать" энергию у исходного субстрата.

Итак, при образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве , но и во времени.

С помощью сложных математических выкладок ученые смогли доказать, что это вполне возможно. В итоге получилась система, существующая, как и реальный кристалл, на минимальном энергетическом уровне. Но самое интересное заключается в том, что она за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию. Авторы работы назвали такую систему очень торжественно - "кристаллом времени".

Через некоторое время группа физиков-экспериментаторов во главе с профессором Чжан Сяном из Университета Калифорнии (США) решила создать такую систему уже не на бумаге, а в реальности. Ученые создали облако ионов бериллия, после чего "заперли" его в круговом электромагнитном поле. Поскольку электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, исследователи, по сути дела, получили газообразный кристалл. И пока характеристики поля были неизменными, то состояние системы, по идее, тоже не должно было меняться.

В то же время расчеты, а затем и наблюдения показали, что это самое ионное кольцо не будет неподвижным. Газообразный кристалл постоянно вращался, и взаимодействия ионов при этом были то симметричными, то нет. Все это наблюдалось даже тогда, когда кристалл охладили практически до абсолютного нуля. Таким образом, эта структура действительно является "кристаллом времени": она проявляет свойства периодичности и асимметрии как в пространстве, так и во времени.

Любопытно, что неспешно вращающееся кольцо ионов, сконструированное группой профессора Чжана, вызвало у многих неспециалистов ассоциацию с вечным двигателем. Конечно, газовый кристалл внешне похож на perpetum mobile, однако на самом деле таковым не является. Ведь эта система не может совершить никакой работы, так как все ее составляющие находятся на одном энергетическом уровне (к тому же, минимальном). А согласно второму закону термодинамики, работа возможна лишь в той системе, составляющие которой находятся минимум на двух энергетических уровнях.

В то же время это вовсе не значит, что "кристалл времени" никак нельзя использовать для практических нужд. Профессор Чжан убежден, что на его основе можно сконструировать, например, сверхточный хронометр. Ведь переход от симметрии к асимметрии имеет ярко выраженную периодичность. Пока же профессор и его коллеги хотят заняться более детальным изучением свойств созданной ими замечательной структуры…

Франк Вилчек.

В июне группа физиков под руководством Сян Чжана, наноинженера из Беркли, и Тонгчанга Ли, физика из группы Чжана, предложили создать кристаллы времени в форме постоянно вращающихся колец заряженных атомов или ионов. (Ли сообщил, что он думал об этом еще до того, как прочитал документацию Вилчека). Статья была опубликована вместе с вилчековской в том же журнале.

С тех пор только один критик - Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского фонда синхротронного излучения во Франции - выразил несогласие в научном виде. Бруно считает, что Вилчек и его коллеги ошибочно отождествляют времязависимое поведение объектов с возбужденным энергетическим состоянием, а не основным. Нет ничего удивительного в объектах с избыточным энергетическим движением в цикле с замедлением движения по мере рассеяния энергии. Чтобы стать кристаллом времени, объект должен обладать вечным движением в основном состоянии.

Комментарий Бруно и ответ Вилчека появился в журнале PRL в марте 2013 года. Бруно продемонстрировал, что низкое энергетическое состояние возможно в системе, предложенной Вилчеком, как гипотетический пример квантового кристалла времени. Вилчек ответил, что хотя приведенный пример не является кристаллом времени, он не думает, что эта ошибка «ставит под вопрос основные понятия».

«Я доказал, что пример некорректен. Но у меня до сих пор нет общего доказательства. Пока».

Споры едва ли закончатся теоретическими основаниями. Козырь находится в руках у экспериментаторов.

Международная группа ученых во главе с учеными Беркли готовит сложный в лаборатории, однако он может быть проведен в период «от трех лет до бесконечности», прежде чем придет к логичному завершению. Все зависит от непредвиденных технических трудностей или финансирования. Есть надежда, что кристаллы времени выведут физику за пределы точной, но квантовой механики, и проложат путь к более великой теории.

«Я очень заинтересован в том, могу ли я сделать вклад, следуя постулатам Эйнштейна», - говорит Ли. - «Он говорил, что квантовая механики является неполной».

Иллюстрация эксперимента с кольцом ионов в магнитной ловушке.

В теории общей относительности Эйнштейна измерения пространства и времени сплетаются воедино - пространство-время. Но в квантовой механике, которая отвечает за взаимодействие веществ на субатомном уровне, время представлено иначе - «тревожной, эстетически неприятной», по словам Закржевского.

Различные понятия о времени могут быть одной из причин несовместимости общей теории относительности и квантовой механики. По крайней мере один из этих двух элементов должен быть изменен, чтобы стало возможным создание всеобъемлющей теории квантовой гравитации. Это одна из основных целей теоретической физики. Какое из пониманий времени будет верным?

Если кристаллы времени могут нарушать симметрию времени таким же образом, как обычные кристаллы разрывают пространственную симметрию, «это будет говорить о том, что в природе эти две величины, похоже, обладают симметричными свойствами, а значит должны однозначно отражаться в теории. Значит, квантовая механика является несовершенной, и квантовым физикам придется рассматривать время и пространство как две нити одной ткани.

Команда Беркли будет пытаться построить кристаллы времени путем введения сотни ионов кальция в небольшую камеру, окруженную электродами. Электрическое поле загонит ионы в ловушку толщиной 100 микронов, примерно с человеческий волос. После ученым придется откалибровать электроды, чтобы выровнять поле. Поскольку заряды отталкиваются, ионы распределятся равномерно по внешнему краю ловушки, образовав кристаллическое кольцо.

Сначала ионы будут вибрировать в возбужденном состоянии, но диодные лазеры, вроде тех, что используются в DVD-проигрывателях, будут урезать их кинетическую энергию. По расчетам группы, ионное кольцо достигнет основного состояния, когда лазеры охладят ионы до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля. Такая температура долгое время была недостижима из-за нагревания электродов в ловушке, но в сентябре появилась революционная технология, которая в сто крат снизит тепловой фон ловушки. Это именно тот фактор, который нужен исследователям.

Затем исследователи включат статическое магнитное поле в ловушке, которое, если верить теории, заставит ионы вращаться (причем до бесконечности). Если все пойдет по плану, ионы вернутся к исходной точке спустя определенный интервал времени, образовав регулярно повторяющуюся во времени решетку и нарушив временную симметрию.

Чтобы увидеть вращение кольца, ученые тронут один из ионов с помощью лазера, эффективно поставив его в другое электронное состояние, отличное от других 99 ионов. Избранный ион будет оставаться ярким и показывать свое новое местоположение, в то время как другие будут затемняться вторым лазером.

Если яркий ион будет обращаться с постоянной скоростью, ученые впервые продемонстрируют, что трансляционная симметрия времени может быть нарушена.

«Это на самом деле перевернет наше понимание», - говорит Ли. Но прежде мы должны доказать, что это работает».

Пока эксперимент не закончится успехом, многие физики будут настроены скептически.

«Лично я думаю, что невозможно обнаружить движение в основном состоянии», - говорит Бруно. - «Они могут загнать кольцо ионов в тороидальную ловушку и поиграться с интересной физикой, но они не увидят, что их часики тикают постоянно, как они заявляют».

Хотя, кто знает, возможно квантовая механика .

Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)

Кристаллы сами по себе очень необычные структуры. Например, кристаллам (тем из них, кристаллическая решетка которых не обладает высшей - кубической - симметрией), присуще свойство анизотропии. Анизотропия кристаллов - это разнородность их физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) по различным направлениям.

Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.