Темпоральный [временной] кристалл (1 часть. Теория)

Но в действительности «кристаллом времени» или «темпоральным кристаллом» называется относительно недавно осознанная Нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком фаза материи, в которой частицы движутся в регулярном, повторяющемся цикле без сжигания энергии.

Поэтому кристаллы времени по своей сути правильнее считать аналогом «вечного двигателя», нежели заменителем «машины времени», как могло бы представиться из названия.

Но и это еще не все!

Оказывается, что «кристалл времени» к тому же, как бы, не совсем кристалл. Ну, по крайней мере, в том смысле как мы обычно представляем себе кристаллы.

Что же это за такая «фаза материи», которую почему-то назвали «кристаллом»? Wikipedia не вносит полной ясности в этот вопрос. В ней «темпоральный кристалл» определен «как физическая система с нарушенной симметрией относительно сдвига во времени, приводящей к наличию периодического движения даже в состоянии с наименьшей энергией».

Чтобы разобраться в этом вопросе, надо переосмыслить понимание симметрии в том ключе, в каком ее представляют ученые.

А в понимании ученых симметрия – это основа однородности в пространстве и времени. Ее особенность в том, что она является некоторым свойством, которое сохраняется после проведения различных преобразований.

Наиболее типичным преобразованием в данном случае является трансляция, или частный случай движения, при котором все точки пространства перемещаются в одном и том же направлении на одно и то же расстояние. Так, например, при трансляции пространства его однородность не изменяется независимо от способа его описания, и при этом действует закон сохранения импульса. То же самое происходит при трансляции времени - оно также однородно, но в данном случае работает закон сохранения энергии.

Так вот физические кристаллы это структуры, которые нарушают пространственную симметрию.

Возьмем, к примеру, обычную молекулу Н2О. В парообразном или жидком состоянии вещество, состоящее из этой молекулы, сохраняет однородность в пространстве. Кристалл, в данном случае лед, менее симметричен, чем однородная вода, состоящая из тех же самых атомов, так что его можно рассматривать как нарушение пространственной симметрии.

Так вот, если обычный кристалл нарушает однородность в пространстве, то темпоральный кристалл нарушает однородность во времени.

Формально, классическим кристаллом времени мог бы быть идеальный маятник. Однако в реальности основное состояние любого маятника это покой, а не колебания, поэтому такой объект на данную роль не подходит.

Ситуацию теоретически можно исправить с помощью периодически повторяющегося внешнего воздействия на маятник, что может обеспечить его вынужденные колебания в течение неограниченного времени. Но повторения состояний такой системы неустойчивы относительно возмущений. Поэтому классического временного кристалла в дискретной форме таким простым способом также не получить.

Но сама эта идея так заинтриговала научное сообщество, что множество ученых стало искать обходные пути, чтобы сделать теоретический кристалл времени Вильчека реальным.

Возможный способ создания этой новой фазы материи, когда частицы движутся в регулярном, повторяющемся цикле без сжигания энергии, состоит в комбинации трех особых ингредиентов.

• Первый ингредиент это так называемая «локализация многих тел» или частиц.
• Другой ингредиент называется «порядок собственного состояния».
• И еще одна составляющая это необходимость периодического воздействия.

Уже в июне 2012 группа физиков под руководством Сяна Чжана, наноинженера из Беркли, и Тунцана Ли, физика и исследователя с докторской степенью в группе Чжана, предложила создать кристалл времени в форме постоянно вращающегося кольца заряженных атомов или ионов.

Если говорить конкретнее, они теоретически предположили пространственно-временной кристалл захваченных ионов и метод его экспериментальной реализации путем удержания этих ионов в кольцеобразном ловушечном потенциале со статическим магнитным полем. Согласно их идее ионы спонтанно образуют пространственный кольцевой кристалл из-за кулоновского отталкивания. Этот ионный кристалл может постоянно вращаться в самом низком квантовом энергетическом состоянии в магнитных полях с порционными потоками. Постоянное вращение захваченных ионов создает временной порядок, ведущий к формированию пространственно-временного кристалла.

На тот момент единственным критиком идеи временных кристаллов оказался Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского центра синхротронного излучения во Франции. На страницах академической литературы он высказал мнение, что Вильчек и развивающие его идею ученые ошибочно определили зависящее от времени поведение объектов в возбужденных энергетических состояниях, а не их основное состояние. Якобы нет ничего удивительного в том, что объекты с избыточной энергией движутся циклически, причем движение затухает по мере рассеивания энергии. Чтобы быть кристаллом времени, объект должен демонстрировать вечное движение в своем основном состоянии.

Тем не менее, в 2013 году международная группа под руководством ученых из Беркли начала готовить сложный лабораторный эксперимент. Хотя, по мнению самих же экспериментаторов, его завершение предположительно могло занять «от трех лет до бесконечности» в зависимости от финансирования или непредвиденных технических трудностей.

Для реализации изначальной идеи группа ученых из Беркли решила построить кристалл времени, введя 100 ионов кальция в небольшую камеру, окруженную электродами. Согласно их идее электрические поля должны были бы использоваться для захвата ионов кальция в «ловушку» шириной 100 микрон. Ученые хотели точно откалибровать электроды, чтобы сгладить поле. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, ионы равномерно распределяются по внешнему краю ловушки, создавая кристаллическое кольцо.

Изначально ионы должны вибрировать в возбужденном состоянии, поэтому для отбора излишка кинетической энергии ученые решили использовать лазер.

Согласно расчетам группы, ионное кольцо должно было перейти в свое основное состояние после того, как лазер охладит ионы до примерно одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля.

Затем исследователи планировали включить в ловушке статическое магнитное поле, которое, согласно их теории, должно побудить ионы начать вращение (и продолжать делать это бесконечно). Если бы все пошло по плану, ионы должны были циклически возвращаться к своей начальной точке с фиксированными интервалами, образуя регулярно повторяющуюся решетку во времени, которая нарушает временную симметрию.

Но, прежде чем они успели довести свой эксперимент до какого-либо результата, японские ученые в 2015 году доказали невозможность существования временных кристаллов в равновесных (неэволюционных) системах.

Это на какое-то время охладило пыл не только экспериментаторов из Калифорнии, но и других исследователей. Но ненадолго.

Все дело в том, что в доказательстве японских ученых оказалось несколько лазеек, о поиске которых мы расскажем уже в продолжении этой статьи.