Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Haffner)
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.
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.
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 [Chris Monroe] 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.
arXiv:1609.08684
Комментарии (42)
Robotex
05.10.2016 16:59А если мы начнем черпать энергию из разлома во времени, Вселенная не взорвется, когда этот разлом схлопнется?
dekeyro
05.10.2016 17:05+1"… Конечно, извлечь энергию этого движения нельзя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии..." ©
gearbox
05.10.2016 19:39А я вот кстати не понял — закон сохранения энергии разве действует (только) в пределах кванта времени или что там у нас есть? То есть если мы рассматриваем систему во временном интервале — то как извлечение энергии из прошлого (будущего) нарушает этот принцип? В одном месте стало больше, в другом — меньше, просто в разное время. На мой дилетантский взгляд ничем не отличается от возникновения виртуальных частиц в космосе. Эдакий «энергетический займ», который по любому будет возвращен.
vasimv
05.10.2016 19:44+2Кванта времени нет, есть просто непрерывный процесс, в каждой точке которого (бесконечно малой) — законы должны соблюдаться.
Wizard_of_light
05.10.2016 22:02+3По теореме Нетёр само сохранение энергии происходит из-за однородности времени. Вообще эта однородность локально постоянно нарушается вблизи массивных тел. Чем ближе, тем медленнее время идёт. Гравитация называется. Так что извлечь энергию из времени достаточно просто — берёшь массивное тело, кидаешь на него булыжники и кипятишь чайник на свежих кратерах. Правда, в конце концов возникает область, в которой с точки зрения внешнего наблюдателя время вообще стоит. Чёрная дыра называется. Тогда чайник кипятить становится несколько сложнее. Но пока булыжники не кончились, проблема решаема.
Bronx
12.10.2016 12:17Закон сохранения энергии — это более сильное утверждение, нежели простое «сколько убыло в одном месте/моменте времени, столько прибыло в каком-то другом месте/моменте времени». Закон сохранения требует, чтобы энергия перетекала непрерывным потоком, без разрывов. Т.е. исчезновение энергии в одной точке 4-пространства и возникновение в совершенно другой — это нарушение, несмотря на то, что суммарная энергия якобы осталась неизменной.
gearbox
12.10.2016 16:43В реальности именно так и происходит — «исчезновение энергии в одной точке 4-пространства и возникновение в совершенно другой» — просто эти точки «соприкасаются» Так а как определяется степень «плавности» процесса если о времени мы нихрена не знаем? Вот это — «Закон сохранения требует, чтобы энергия перетекала непрерывным потоком, без разрывов» — оно постулируется или из чего то вытекает? (без стеба, реально интересно)
Bronx
12.10.2016 20:22> просто эти точки «соприкасаются»
В континууме нет точек, которые соприкасаются — между любыми двумя точками лежит бесконечное число точек. Но закон сохранения тем не менее работает даже в таких условиях, потому что точки заменяются областями пространства, границами между ними и потоками из одной области в другую через эти границы.
> оно постулируется или из чего то вытекает?
Это суть теоремы Нётер, которая говорит, что симметрия векторного поля означает постоянство т.н. «вектора потока Нётер» (конкретный вид потока зависит от типа симметрии). Постоянство потока означает, что если выделить в пространстве некоторую область (4-мерную!), то втекающий в эту область поток (тоже 4-мерный!) должен быть строго равен вытекающему. Это условие и исключает возможность разрывов — если есть разрыв, значит где-то в 4-пространстве есть «сток» и «исток» энергии, т.е. можно выделить область, где входящий поток не равен исходящему.
Кстати, для закона сохранения энергии важна лишь одна конкретная симметрия времени — трансляционная («как бы мы ни двигали нашу систему отсчёта вдоль оси времени, законы остаются неизменными»). Могут быть и другие симметрии (зеркальная, например), но ЗСЭ является следствием именно трансляционной симметрии.
ClearAirTurbulence
05.10.2016 23:48+1«Действительно, все пепельницы были одна к одной, причем по форме довольно неуклюжи и, я бы даже сказал, несуразны. Но материал мне понравился: это была какая-то нежно-голубая пластмасса с золотистыми прожилками.
— Из чего это они сделаны? — поинтересовался я,
— Я их делаю из времени, — ответил мне скромный молодой человек. — Я улавливаю будущее время, сгущаю его, превращаю в реальное вещество и штампую из него вот такие пепельницы. В дальнейшем из времени можно будет производить пуговицы, мыльницы, столовую посуду, облицовочные плитки, умывальники, унитазы и много других полезных вещей.
***
— Сколько минут сгущенного будущего времени уходит на такую пепельницу? — задал я практический вопрос.
— Вы сказали „минут“?! — удивленно воскликнул изобретатель. — Надо было спросить „сколько столетий“! Знайте, что масса, идущая на одну пепельницу, равна четырем с половиной векам земного времяисчисления.»
© Вадим Шефнер
Vjatcheslav3345
05.10.2016 19:59Вопрос до конца не раскрыт — куда будет развиваться квантовая физика после проверки? Вот с хиггсовым бозоном — всё понятно, что даст его поимке/не поимка — а здесь какие альтернативы и сколько их — 2, 3, 5? Вообще же физика Времени — куда менее известная дисциплина в науке, чем уже привычная охота за частицами.
Robotex
06.10.2016 12:59+1По мнению ученых, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память.
Vjatcheslav3345
07.10.2016 12:35Я имел в виду не практическое применение а научную ценность (какие теории подтверждает, какие открытия «закрывает»). Тот же хиггсов бозон не скоро ещё человечество применит на практике — пока оно тяжко пытается хоть как то допилить термояд, а уж о каком нибудь адронно-бозонном реакторе и не мечтает даже.
Хотелось бы увидеть на ресурсе статьи и переводы о физике Времени — это совершенно неистоптанная тема, в отличие от ядерной физики.
Правда, надеюсь, они будут понятными и как то привязанными к уровню знаний посетителей ресурса, иначе интересной дискуссии в комментариях не будет — трудно обсуждать то, о чём не можешь ничего сказать вообще — пусть даже это будет на немного шутливом уровне типа «Сегодня я встал утром раненько, съел банан, а шкуру от него подкинул по ноги папке соседа сверху, дырлящего сегодня поутру стены дрелью — тогда, 40 лет назад, когда папка соседа спешил на свидание с его мамкой
…
Сегодня я встал утром раненько, съел банан, выкинул его шкурку в лес за палатку, и отметил — а зори здесь тихие...»
hacklex
06.10.2016 02:41+1Жаль, не вещество, в котором две связи в обычном пространстве, а две – во времени (в прошлое и в будущее), вот это было бы весело.
PS. Искал этот комментарий на эту тему, не нашёл, оставил сам.
MichaelBorisov
06.10.2016 20:58+1Кристаллы, то есть периодические структуры, во времени соответствуют периодическому движению, т.е. колебаниям.
В этом свете непонятно, что открыли физики? Колебания открыли? Так о них и так давно было известно.
Или была открыта некая пространственная структура, находящаяся в неустойчивом состоянии и, проходя через некоторое множество других неустойчивых состояний, возвращающаяся к исходному? Ну, такие структуры тоже давно известны, орбитальное движение, например.
Возможно, обнаружено действительно что-то новое, но не особенно шокирующее. А название «временные кристаллы» — это какой-то новый маркетинговый термин?Psychosynthesis
07.10.2016 01:24+1Да тут вся статья это какой-то ребус, чёрт её дери!
Я, конечно, понимаю кто автор, но тут при чтении вопросов слишком много встаёт, уж не знаю, то ли перевод такой, то ли я тупой слишком.
Alex_Hannibal
Может тут должно быть написано до 1 миллиардной Кельвина?
Robotex
выше абсолютного нуля
igruh
В принципе придирка всё ещё в силе — уже давно градус Кельвина официально переименовали в кельвин.
igruh
Минусующим: да, такие вещи лучше в личку (что лично я и делаю), но раз уж два первых комментария оставлены, то можно и обсудить.
Alex_Hannibal
Вот спасибо за минус. Мне и правда было интересно там про Кельвины или все же про градусы Цельсия идет речь. Догадываюсь что про Кельвины, но не мешало бы уточнить.
upsilon
Градус Кельвина равен градусу Цельсия, разница в начале отсчета. В физике по дефолту идет речь о Кельвинах
Alexsandr_SE
физика не в системе С? Кельвины помнится не входят в эту систему. Правда со школы может чего и путаю.
DrPass
Путаете. В системе Си основной единицей измерения температуры являются как раз кельвины. Впрочем, градусы Цельсия также входят в систему Си, как производные единицы. Наравне с километрами/мегаваттами.
Alex_Hannibal
Градус Кельвина? Серьезно?
Кельвины не измеряются в градусах, это абсолютная единица.
Меня в статье и смутило как раз упоминание градусов.
Согласитесь, что есть разница между 0К и 273,15К
Мне бы и хотелось знать идет речь об абсолютном ноле или все же о 0 градусов Цельсия
DrPass
Словосочетание «градус Кельвина» не является неграмотным. Во-первых, само по себе слово «градус» означает всего лишь деление шкалы измерений, а шкала Кельвина для измерений температуры имеет место быть :)
Во-вторых, то, что мы сейчас называем «кельвин», ранее официально именовалось как «градус Кельвина», и в более старых книгах по физике вы именно это и прочтёте.
Alex_Hannibal
Извините, но в те времена, когда существовал «градус Кельвина» меня не существовало и я не оперирую такой единицей измерения. Меня учили все величины указывать по системе СИ.
Вы решили показать свою эрудированность?
DrPass
> и я не оперирую такой единицей измерения. Меня учили все величины указывать по системе СИ
Я хочу уточнить, вы практикующий физик, и вы оперируете кельвинами? Или вы на самом деле ничем таким не оперируете, а ваши отношения с кельвинами ограничиваются чтением научно-популярных статей в Интернете? И вы просто решили развязать флейм, придираясь к чьим-то формулировкам, которые вам не понравились?
Alex_Hannibal
Я оперирую как Кельвинами, так и градусами Цельсия в своей жизни. О переименовании градусов Кельвина в Кельвина я узнал из комментов к данной статье.
И я просто задал вопрос, а не придрался, но публика гиктаймс сразу возбудилась от вопроса. На данный момент адекватность публики можно ставить под сомнение. Слишком уж возбудил людей банальный вопрос.
DrPass
> Я оперирую как Кельвинами, так и градусами Цельсия в своей жизни.
Утолите уж моё любопытство, где вам приходится иметь дело с кельвинами? (кстати, если уж вам так важно соблюдение актуального стандарта Си, то там нет единицы «Кельвин», есть «кельвин»).
> И я просто задал вопрос, а не придрался
Это было крайне не очевидно.
> На данный момент адекватность публики можно ставить под сомнение.
А за это вы от публики ещё минусов получите :)
Robotex
А я вас и не минусовал
Seregaalex
То есть типа, нифига не понял-придирусь к единственным понятным словам? ))) Не в обиду конечно, я тоже мало что понял. Два раза перечитал.
Alex_Hannibal
Не надо говорить за всех, пожалуйста.
Я как раз понял о чем речь и поэтому возник вопрос.
И нет, я не придираюсь, а спрашиваю как все же там есть на самом деле.
И до сих пор не получил однозначного ответа.
molnij
Можно я уточню?
То есть, в действительности, вы поняли всё написанное, и лишь выбор шкалы остается для вас абсолютно непонятным и вы терпеливо ожидаете однозначного ответа? Серьезно?
То есть вы в реальности рассматриваете текст статьи, например, в контексте шкалы Цельсия? Или, простигосподи, Фаренгейта? Или, ну я не знаю, может Реомюра? (да, взяли ионы иттербия, охладили их до 1 миллиардной градуса Реомюра выше 0 Фаренгейта, и ждём чего-то уникального в этом состоянии)
Потому что если нет, то ваш вопрос — придирка, что вам и пытаются объяснить. А если да — то… вы уверены что правильно поняли написанное?
И да, я не автор, но мое мнение, что можно выполнить указанную вами замену. И для подавляющего большинства читателей популярного ресурса не измениться вообще ничего. А можно выполнить еще с пяток замен со словами «Градус» «Кельвин» и «Цельсий» и снова ничего не измениться.