Четвертое измерение. Что такое кристаллы времени

Для большинства жителей Земли любое пространство является трехмерным, поскольку оно состоит из трех однородных измерений — длины, ширины и высоты. Ученые-физики могут уточнить это заявление, добавив, что на самом деле есть еще одно измерение — время, и все мы живем не просто в трехмерном мире, а в пространственно-временном континууме. темпоральные кристаллы, кристаллы времени, четвертое измерение, Эйнштейна Согласно общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, время в этом континууме — это равноправное измерение, которое неразрывно связано с пространством. Но если в пространстве возможно движение в разных направлениях, время течет только в одну сторону, и вернуть его обратно пока никому не удавалось. Несколько лет назад физики описали теоретическое состояние материи, которое может нарушить временную симметрию, — темпоральные кристаллы или кристаллы времени. Атомы в этих кристаллах могут периодически изменять свою структуру, возвращаясь в исходное положение через некоторое время. Позже ученые создали первый кристалл времени и доказали эту теорию на практике. Совсем недавно исследователи подтвердили первое взаимодействие кристаллов времени и заявили, что этот процесс можно контролировать. Рассказываем, что означает новое открытие, как работают кристаллы времени, какая польза от них и как создать такие кристаллы у себя дома.

Кто придумал кристаллы времени? В 2012 году американский физик польского происхождения Фрэнк Вильчек описал теорию кристаллов времени. Согласно этой теории, атомы в кристаллической решетке могут постоянно выполнять некоторые колебания даже в состоянии покоя. Эти колебания повторяются во времени и периодически возвращаются в исходное положение. Ключевым результатом этой теории стало предположение о том, что в определенном состоянии, которое Вильчек называет «основным», кристаллы времени могут изменять свою структуру и производить энергию фактически без ее потребления.

Уже в 2016-м представители Мэрилендского университета в Колледж-Парке создали первый кристалл времени: физики разработали квантовую систему, представленную в кольцевой группе ионов иттербия. Во время сильного охлаждении этой системы она переходила в то самое «основное состояние», нарушающее временную симметрию. После этого ученые из разных университетов и стран успешно повторяли эксперимент с кристаллами времени с помощью других установок и веществ. К примеру, в Гарварде кристаллы времени создали на основе азот-вакансионных центров в алмазах. Физики доказали, что кристаллы времени действительно могут периодически изменять свою структуру под незначительным энергетическим воздействием и по сути являются новым состоянием вещества. Проблема в том, что долгое время ученые не могли найти практического применения для этих кристаллов. Изменить эту ситуацию может новое открытие ученых из Великобритании, США и Финляндии.

Взаимодействие кристаллов времени Недавно физики из британских университетов в Ланкастере и Лондоне, Йельского университета в США и финского Университета Аалто опубликовали результаты исследования первого случая взаимодействия кристаллов времени. Во время эксперимента ученые наблюдали взаимодействие двух кристаллов времени, основанных на гелий-3, — редких изотопах гелия без одного нейтрона. Авторы исследования охладили эту сверхтекучую жидкость до температуры минус 273.15°C и подтвердили возможность взаимодействия двух кристаллов времени с последующим обменом структурными частицами между ними. Иными словами, частицы, из которых состояли эти кристаллы, перетекали из одного кристалла в другой. Этот процесс также называют эффектом Джозефсона.

«Управление взаимодействием двух временных кристаллов — большое достижение. До этого никто не наблюдал двух временных кристаллов в одной системе, не говоря уже о том, чтобы они взаимодействовали», — заявил ведущий автор исследования, доктор Самули Аутти из Ланкастерского университета. Ученые предполагают, что взаимодействие кристаллов времени и управление этим процессом — это первый шаг для практического применения нового состояния вещества, открытого Вильчеком. Одна из возможных сфер использования кристаллов времени — создание запоминающих устройств для квантовых компьютеров. Кроме того, такие кристаллы планируют использовать в метрологии для создания более точных измеряющих устройств, включая атомные часы, гироскопы и даже GPS. Возможно поэтому в минобороны США недавно инициировали программу по финансированию исследований технологий кристаллов.

Ученые из университетов Великобритании, США и Финляндии подтвердили взаимодействие так называемых кристаллов времени, которые теоретически описали несколько лет назад. Это первый зарегистрированный случай существования таких кристаллов в одной системе. Для большинства жителей Земли любое пространство является трехмерным, поскольку оно состоит из трех однородных измерений — длины, ширины и высоты. Ученые-физики могут уточнить это заявление, добавив, что на самом деле есть еще одно измерение — время, и все мы живем не просто в трехмерном мире, а в пространственно-временном континууме. 

Согласно общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, время в этом континууме — это равноправное измерение, которое неразрывно связано с пространством. Но если в пространстве возможно движение в разных направлениях, время течет только в одну сторону, и вернуть его обратно пока никому не удавалось. Несколько лет назад физики описали теоретическое состояние материи, которое может нарушить временную симметрию, — темпоральные кристаллы или кристаллы времени. Атомы в этих кристаллах могут периодически изменять свою структуру, возвращаясь в исходное положение через некоторое время. Позже ученые создали первый кристалл времени и доказали эту теорию на практике. Совсем недавно исследователи подтвердили первое взаимодействие кристаллов времени и заявили, что этот процесс можно контролировать. Рассказываем, что означает новое открытие, как работают кристаллы времени, какая польза от них и как создать такие кристаллы у себя дома.

Кто придумал кристаллы времени?

В 2012 году американский физик польского происхождения Фрэнк Вильчек описал теорию кристаллов времени. Согласно этой теории, атомы в кристаллической решетке могут постоянно выполнять некоторые колебания даже в состоянии покоя. Эти колебания повторяются во времени и периодически возвращаются в исходное положение. Ключевым результатом этой теории стало предположение о том, что в определенном состоянии, которое Вильчек называет «основным», кристаллы времени могут изменять свою структуру и производить энергию фактически без ее потребления. Уже в 2016-м представители Мэрилендского университета в Колледж-Парке создали первый кристалл времени: физики разработали квантовую систему, представленную в кольцевой группе ионов иттербия. Во время сильного охлаждении этой системы она переходила в то самое «основное состояние», нарушающее временную симметрию.

После этого ученые из разных университетов и стран успешно повторяли эксперимент с кристаллами времени с помощью других установок и веществ. К примеру, в Гарварде кристаллы времени создали на основе азот-вакансионных центров в алмазах. Физики доказали, что кристаллы времени действительно могут периодически изменять свою структуру под незначительным энергетическим воздействием и по сути являются новым состоянием вещества. Проблема в том, что долгое время ученые не могли найти практического применения для этих кристаллов. Изменить эту ситуацию может новое открытие ученых из Великобритании, США и Финляндии.

Взаимодействие кристаллов времени

Недавно физики из британских университетов в Ланкастере и Лондоне, Йельского университета в США и финского Университета Аалто опубликовали результаты исследования первого случая взаимодействия кристаллов времени. Во время эксперимента ученые наблюдали взаимодействие двух кристаллов времени, основанных на гелий-3, — редких изотопах гелия без одного нейтрона. Авторы исследования охладили эту сверхтекучую жидкость до температуры минус 273.15°C и подтвердили возможность взаимодействия двух кристаллов времени с последующим обменом структурными частицами между ними. Иными словами, частицы, из которых состояли эти кристаллы, перетекали из одного кристалла в другой. Этот процесс также называют эффектом Джозефсона.

«Управление взаимодействием двух временных кристаллов — большое достижение. До этого никто не наблюдал двух временных кристаллов в одной системе, не говоря уже о том, чтобы они взаимодействовали», — заявил ведущий автор исследования, доктор Самули Аутти из Ланкастерского университета. Ученые предполагают, что взаимодействие кристаллов времени и управление этим процессом — это первый шаг для практического применения нового состояния вещества, открытого Вильчеком. Одна из возможных сфер использования кристаллов времени — создание запоминающих устройств для квантовых компьютеров. Кроме того, такие кристаллы планируют использовать в метрологии для создания более точных измеряющих устройств, включая атомные часы, гироскопы и даже GPS. Возможно поэтому в минобороны США недавно инициировали программу по финансированию исследований технологий кристаллов. 

Кристалл времени в домашних условиях

Помимо разработки кристаллов времени в лаборатории, пару лет назад ученые из Йельского университета также предположили, что такое вещество может существовать и в бытовой среде. Мало того, по словам физиков, кристаллы Вильчека можно найти даже в детских игрушках. Авторы исследования заявляли, что твердые кристаллы времени могут скрываться в кристаллах фосфата аммония, — некого твердого вещества, инструкция по созданию которого часто продается в «наборах юных химиков». Для обнаружения кристаллов времени в фосфате аммония ученые использовали технологию ядерного магнитного резонанса — анализ поглощения или излучения электромагнитной энергии веществом, который позволяет определить его химическое строение. «Наша работа предполагает, что следы кристаллов времени можно в принципе найти, заглянув в детский набор для выращивания кристаллов», — заявил автор исследования, профессор Йельского университета Шон Баррет. Обнаружение следов этих кристаллов не означает, что обычная детская игрушка также обладает «квантовой памятью» и может восстанавливать свою структуру в течение определенных промежутков времени. Но, как заявил Баррет, результаты их работы представляют собой загадку для ученых, которые исследуют происхождение кристаллов времени. «Еще слишком рано говорить, какое разрешение будет у нынешней теории кристаллов, но люди будут работать над этим вопросом, по крайней мере, в течение следующих нескольких лет», — объяснил профессор.

naukatehnika.com