Мы постоянно сталкиваемся с обычными кристаллами в повседневной жизни — от льда в коктейле до бриллиантов в украшениях. Хотя кристаллы красивы, для физиков они представляют собой нарушение нормальной симметрии природы.
В 2012 году физик Фрэнк Вильчек из Массачусетского технологического института заметил, что законы физики также имеют временную симметрию. Это означает, что любой эксперимент, повторенный позже, должен дать тот же результат. Вильчек провел аналогию с нормальными кристаллами, но в измерении времени, назвав эту спонтанную симметрию, нарушающую время, кристаллом времени. Несколько лет спустя физики смогли наконец построить его.
«Кристалл времени продолжает двигаться и периодически повторяется во времени при отсутствии внешней поддержки», — комментирует Live Science Самули Аутти, ведущий ученый проекта из Ланкастерского университета в Соединенном Королевстве. Это возможно, так как кристалл времени находится в самом низком энергетическом состоянии. Основные правила квантовой механики не позволяют движению стать полностью неподвижным, поэтому кристалл времени остается «застрявшим» в своем бесконечном цикле.
Законы термодинамики предполагают, что системы, находящиеся в равновесии, имеют тенденцию к большей энтропии или беспорядку: чашка кофе всегда будет остывать, маятник в конце концов перестанет раскачиваться, а мяч, катящийся по земле, в конце концов остановится. Но кристалл времени бросает вызов этому, так как правила термодинамики, похоже, к нему неприменимы. Вместо этого кристаллы времени подчиняются квантовой механике, правилам, управляющим «зоопарком субатомных частиц».
Волшебные магноны
В новом исследовании Аутти и его команда использовали магноны для создания своего кристалла времени.
Магноны — это «квазичастицы», возникающие в коллективном состоянии группы атомов. В данном случае группа физиков взяла гелий-3 — атом гелия с двумя протонами, но только с одним нейтроном — и охладила его с точностью до десятитысячной градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре гелий-3 превратился в конденсат Бозе-Эйнштейна, где все атомы имеют общее квантовое состояние и работают согласованно друг с другом.
В конденсате все спины электронов гелия-3 соединились и работали вместе, создавая волны магнитной энергии, магноны. Эти волны вечно плескались туда-сюда, превращаясь в кристалл времени.
Команда Аутти взяла две группы магнонов, каждая из которых работала как отдельный кристалл времени, и подвела их достаточно близко, чтобы они могли влиять друг на друга. Объединенная система магнонов действовала как один кристалл времени с двумя разными состояниями.
Эксперт надеется, что эксперименты его команды смогут прояснить взаимосвязь между квантовой и классической физикой. Их цель — построить кристаллы времени, которые взаимодействуют с окружающей средой без распада квантовых состояний, позволяя кристаллу времени продолжать работать, пока он используется для проведения квантовых вычислений, например.
Исследование ученых в настоящее время очень далеко от описания нового типа квантового компьютера, но открывает интересные направления для анализа. Если ученые смогут манипулировать системой из двух кристаллов времени, не разрушая ее квантовые состояния, они потенциально могут построить более крупные системы кристаллов времени, которые будут служить настоящими вычислительными устройствами.
