Экзотические структуры, известные как «пространственно-временные кристаллы» вскоре могут стать реальностью, благодаря исследованиям, проведенным совместно физиками в США и Китае. Исследователи, в развитие идеи, выдвинутой физиком теоретиком Фрэнком Вильчеком (Frank Wilczek) из Массачусетского технологического института в США, продемонстрировали кристалл из захваченных ионов способных вращаться постоянно, даже в низшем энергетическом состоянии, что позволяет ему нарушать временные, а также пространственные симметрии.
Нормальные кристаллы состоят из атомов или молекул, расположенных в упорядоченных пространственных структурах, которые образуются ниже определенной температуры для того, чтобы свести к минимуму потенциальную энергию вещества. Атомы углерода в алмазе, например, притягиваются на больших расстояниях, но отталкиваются на малых, это означает, что их энергия минимальна, когда они отделены друг от друга на некое промежуточное расстояние. При более высоких температурах, атомы в кристалле могут находиться во многих других и неупорядоченных состояниях, и если они начинают доминировать, то это вызывает плавление вещества. «Кристаллы — это победа энергии над энтропией», говорит Вильчек.
Временное нарушение симметрии
Вильчек выступил с идеей «кристалла времени» после того, как спросил себя, а может ли быть вещество при низких температурах структурировано во времени, а не в пространстве или в дополнение к нему. Нормальный кристалл, как говорят, ломает пространственную симметрию, поскольку составляющие его частицы образуют линии в определенных направлениях при высоких температурах, не регулярно расположенные, как при более низких температурах. Нарушение временной симметрии, аналогично, просто означает, что объект или совокупность частиц испытывает какие-то систематические изменения во времени. Как указывает Вильчек, это верно для планет Солнечной системы, а также для часов, например. Но это системы, которые были приведены в движение каким-то внешним источником энергии и в конечном итоге остановятся. Вильчека заинтересовало, возможно ли движение и в изолированных системах, которые находятся в основном состоянии.
Он признает, что эта идея находится в «опасной близости» к вечному двигателю и отмечает, что, находясь в основном состоянии, такие системы не могут быть использованы для получения полезной работы. Они, однако, требуют энергии для остановки. «Они представляли бы форму вечного двигателя», говорит он, «что немного страшновато сказать человеку знающему физику».
Оглянувшись по сторонам, Вильчек понял, что сверхпроводники очень походят на такие системы, так как они существуют в самом низком состоянии, но проводят электрический ток. Тем не менее, это не совсем то, потому что ток не изменяется во времени. Для включения в сверхпроводнике кристалла времени, Вильчек предложил варьирование сверхпроводящего тока, давая ему временной пик, который, путешествуя по всему сверхпроводящему кольцу, будет напоминать «движение мыши внутри змеи». Он обнаружил, что математически такая схема на самом деле возможна, и что допустима конечная кинетическая энергия системы, поскольку она является результатом большего падения потенциальной энергия системы.
Ион захвата
Сян Чжан (Xiang Zhang) и Тонканг Ли (Tongcang Li) из Университета в Калифорнии, Беркли и его коллеги, думают, что все же эту схему будет сложно реализовать на практике, поскольку это потребовало бы частиц, электрически притягивающихся друг к другу для того, чтобы создать сгусток в токе. Их предложение, напротив, состоит в использовании захватывания ионов при очень низких температурах и использование их взаимного отталкивания, так что они выстраиваются в кольцо. Это кольцо, объясняет Ли, было бы похоже на обычный кристалл. Тогда создавая магнитное поле, с определенными значениями через кольцо, кольцо можно было бы заставить непрерывно вращаться в своем низшем энергетическом состоянии, - иными словами, это и стало бы кристаллом пространства-времени.
Ли говорит, что главной задачей в деле создания такого устройства будет охлаждение ионов в достаточно малой ловушке до достаточно низких температурах. Он и его коллеги подсчитали, что для формирования пространственно-временного кристалла в одну десятую миллиметра, 100 ионов бериллия должны быть охлаждены до одной миллиардной доли Кельвина, а с большими кольцами потребуется еще более низкие температуры. Но он уверен, что это техническое требование может быть выполнено, либо его собственной группой, либо другими. «Это может быть преодолено в ближайшем будущем с развитием технологий ионной ловушки», говорит он, добавив, что когда именно это произойдет, «зависит от финансирования и многих других факторов».
Чжан полагает, что будучи построенным, такое устройство может «обеспечить совершенно новую возможность для изучения физики многих тел и неведомых свойств материи», а также может улучшить наше понимание нарушения симметрии, например, того, что считается придает частицам их массу, когда Вселенная расширялась и охлаждалась.
Вильчек отзывается о захваченно-ионном предложении как «более основательное и профессиональное», чем его собственная схема, а также утверждает, что пространственно-временные кристаллы смогут найти себе практическое применение, даже если и не ясно сейчас, где это случиться. «Эта работа изучает новые состояния вещества», говорит он, «и может привести к неожиданным последствиям».
ENGLISH VERSION
НА ГЛАВНУЮ
