Четвертий вимір. Що таке кристали часу і як ми навчилися керувати ними
Наукпоп18 листопада 2020, 21:00
Учені з університетів Великої Британії, США і Фінляндії підтвердили взаємодію так званих кристалів часу, які теоретично описали кілька років тому. Це перший зареєстрований випадок існування таких кристалів в одній системі.
Д ля більшості жителів Землі будь-який простір є тривимірним, оскільки він складається з трьох однорідних вимірів — довжини, ширини й висоти.
Учені-фізики можуть уточнити цю заяву, додавши, що насправді є ще один вимір — час, і всі ми живемо не просто у тривимірному світі, а в просторово-часовому континуумі.
Згідно з загальною теорією відносності (ЗТВ) Альберта Ейнштейна, час у цьому континуумі — це рівноправний вимір, який нерозривно пов’язаний із простором. Але якщо в просторі можливий рух у різних напрямках, час тече тільки в одну сторону, і повернути його назад поки нікому не вдавалося.
Кілька років тому фізики описали теоретичний стан матерії, який може порушити тимчасову симетрію, — темпоральні кристали або кристали часу. Атоми в цих кристалах можуть періодично змінювати свою структуру, повертаючись у вихідне положення за деякий час.
Пізніше вчені створили перший кристал часу й довели цю теорію на практиці. Зовсім нещодавно дослідники підтвердили першу взаємодію кристалів часу й заявили, що цей процес можна контролювати.
Розповідаємо, що означає нове відкриття, як працюють кристали часу, яка користь від них, і як створити такі кристали у себе вдома.
Передплатіть NV Преміум та читайте без обмежень
Нам необхідна ваша підтримка, щоб займатися якісною журналістикою
Хто придумав кристали часу?
У 2012 році американський фізик польського походження Френк Вільчек описав теорію кристалів часу. Відповідно до цієї теорії, атоми в кристалічній решітці можуть постійно здійснювати деякі коливання навіть у стані спокою.
Ці коливання повторюються в часі і періодично повертаються до початкового положення. Ключовим результатом цієї теорії стало припущення про те, що в певному стані, яке Вільчек називає «основним», кристали часу можуть змінювати свою структуру й виробляти енергію фактично без її споживання.
Уже у 2016-му представники Мерілендського університету в Коледж-Парку створили перший кристал часу: фізики розробили квантову систему, представлену в кільцевій групі іонів ітербію.
Під час сильного охолодження цієї системи вона переходила в той самий «основний стан», що порушує тимчасову симетрію.
Після цього вчені з різних університетів і країн успішно повторювали експеримент із кристалами часу за допомогою інших установок і речовин. Наприклад, у Гарварді кристали часу створили на основі азот-вакансійних центрів в алмазах.
Фізики довели, що кристали часу дійсно можуть періодично змінювати свою структуру під незначним енергетичним упливом, і вони по суті є новим станом речовини.
Проблема в тому, що довгий час учені не могли знайти практичного застосування для цих кристалів.
Змінити цю ситуацію може нове відкриття вчених із Великої Британії, США й Фінляндії.
Взаємодія кристалів часу
Нещодавно фізики з британських університетів у Ланкастері та Лондоні, Єльського університету в США і фінського Університету Аалто опублікували результати дослідження першого випадку взаємодії кристалів часу.
Під час експерименту вчені спостерігали взаємодію двох кристалів часу, заснованих на гелій-3, — рідкісних ізотопах гелію без одного нейтрона.
Автори дослідження охолодили цю надплинну рідину до температури мінус 273.15°C і підтвердили можливість взаємодії двох кристалів часу з подальшим обміном структурними частинками між ними.
Іншими словами, частинки, із яких складалися ці кристали, перетікали з одного кристалу до іншого. Цей процес також називають ефектом Джозефсона.
«Управління взаємодією двох часових кристалів — велике досягнення. До цього ніхто не спостерігав двох часових кристалів в одній системі, не кажучи вже про те, щоб вони взаємодіяли», — заявив провідний автор дослідження, доктор Самулі Аутті з Ланкастерського університету.
Учені припускають, що взаємодія кристалів часу й управління цим процесом — це перший крок для практичного застосування нового стану речовини, відкритого Вільчеком.
Одна з можливих сфер використання кристалів часу — створення запам’ятовувальних пристроїв для квантових комп’ютерів.
Окрім того, такі кристали планують використовувати в метрології для створення більш точних вимірювльних пристроїв, на кшталт атомного годинника, гіроскопа і навіть GPS.
Можливо тому в міноборони США нещодавно ініціювали програму з фінансування досліджень технологій кристалів.
Кристал часу в домашніх умовах
Крім розробки кристалів часу в лабораторії, кілька років тому вчені з Єльського університету також припустили, що така речовина може існувати і в побутовому середовищі.
Мало того, за словами фізиків, кристали Вільчека можна знайти навіть у дитячих іграшках.
Автори дослідження заявляли, що тверді кристали часу можуть ховатися в кристалах фосфату амонію, — такої собі твердої речовини, інструкція зі створення якої часто продається в «наборах юних хіміків».
Для виявлення кристалів часу у фосфаті амонію вчені використовували технологію ядерного магнітного резонансу — аналіз поглинання або випромінювання електромагнітної енергії речовиною, який дозволяє визначити її хімічну будову.
«Наша робота передбачає, що сліди кристалів часу можна в принципі знайти, зазирнувши до дитячого набору для вирощування кристалів», — заявив автор дослідження, професор Єльського університету Шон Баррет.
Виявлення слідів цих кристалів не означає, що звичайна дитяча іграшка також має «квантову пам’ять» і може відновлювати свою структуру протягом певних проміжків часу.
Але, як заявив Баррет, результати їхньої роботи є загадкою для вчених, які досліджують походження кристалів часу.
«Ще занадто рано говорити, яке розв’язання буде мати нинішня теорія кристалів, але люди будуть працювати над цим питанням, принайні, протягом наступних кількох років», — пояснив професор.