Кристаллы времени: как физики создали новую, «невозможную» фазу материи
Представьте себе материю, которая движется вечно, не потребляя энергии. Звучит как научная фантастика, но недавние открытия сделали это реальностью. Кристаллы времени — это фаза материи, которая бросает вызов привычным представлениям о времени и равновесии. Разобрались, что они собой представляют, как работают и могут ли стать основой вечного двигателя.
От идеи к практике
Идею о таких кристаллах впервые предложил в 2012 году нобелевский лауреат, физик-теоретик Фрэнк Вильчек. Он задался вопросом: если обычные кристаллы нарушают симметрию в пространстве, может ли существовать структура, нарушающая симметрию во времени и находящаяся в вечном движении в своём самом низкоэнергетическом состоянии? Поначалу эту концепцию встретили со скепсисом, так как она, казалось, противоречила фундаментальным законам физики.
Именно этот скептицизм, подкреплённый так называемыми «запрещающими теоремами», которые утверждали невозможность таких систем в равновесии, и стал толчком для новых исследований. Сама «невозможность» заставила учёных пересмотреть определения равновесия и нарушения симметрии. Но прежде чем разобраться в устройстве временных кристаллов, стоит сначала рассказать о кристаллах обычных.
Что такое кристалл
Обычный кристалл — это материал, в котором атомы, молекулы или ионы расположены в строго упорядоченной структуре, образуя кристаллическую решётку, которая повторяется во всех направлениях. Именно эта периодичность отличает кристалл от аморфных тел, например стекла, где нет порядка даже на микроуровне.
Формирование кристалла является примером спонтанного нарушения симметрии пространства. Законы физики одинаковы в любой точке Вселенной, но расположение атомов в кристалле эту непрерывную симметрию нарушает. Кристалл выглядит одинаково, только если сдвигаться на определённое, повторяющееся расстояние.
Кристалл времени
Кристалл времени — это квантовая система из множества частиц, чьё самое низкоэнергетическое, основное состояние — это повторяющееся движение. Такая система не может остановиться и отдать энергию, потому что она и так имеет минимальное количество энергии.
Кристаллическая решётка в представлении художника
Важнейшее отличие кристаллов времени в том, что они являются неравновесной фазой материи. То есть, такая система никогда не достигает теплового равновесия. Представление о том, что основное состояние системы должно быть статичным, здесь не работает. При этом движение внутри такого кристалла — это не колебание отдельных частиц, а коллективное поведение множества квантовых частиц.
Нарушение симметрии во времени
Как обычный кристалл нарушает симметрию пространства, так кристалл времени нарушает симметрию времени — принцип, согласно которому законы физики не меняются с течением времени. Из этой симметрии следует закон сохранения энергии. Кристалл времени спонтанно нарушает эту непрерывную симметрию. Хотя законы физики остаются неизменными, сама система периодически меняется через определённые интервалы времени.
Обычный кристалл, например кристалл соли, имеет периодическое расположение атомов в пространстве и находится в равновесном, статичном состоянии. Кристалл времени, напротив, постоянно меняется во времени и никогда не приходит в равновесие.
Кристалл времени — вечный двигатель
Несмотря на кажущееся вечное движение, кристаллы времени не нарушают законы термодинамики. Всё дело в том, что энергия остаётся запертой внутри системы и именно она заставляет двигаться частицы. Но извлечь эту энергию из квантового кристалла невозможно. С другой стороны, даже если бы такой способ существовал, система бы перестала быть неравновесной и, скорее всего, в конечном итоге «упала» бы в состояние с минимумом энергии.
Их движение объясняется тем, что они уже находятся в своём квантовом основном состоянии и не могут отдать энергию. Это неравновесная фаза материи, которая избегает термализации, то есть не рассеивает энергию и не нагревается от своих внутренних колебаний. Энтропия кристалла времени остаётся постоянной, что соответствует второму закону термодинамики.
Как это работает и как их создают
Кристаллы времени — это не макроскопические объекты в привычном понимании, а сложные квантовые системы из множества частиц. Их уникальное поведение возникает из коллективной квантовой динамики.
Квантовая природа
Большинство из них создаются в так называемых «периодически возбуждаемых системах». Такие системы подвергаются периодическому воздействию, например, лазерными импульсами. Ключевой механизм, обеспечивающий их стабильность, — многочастичная локализация (МЧЛ). При МЧЛ частицы как бы «застревают» в своих состояниях и не могут прийти в равновесие. При этом они не могут поглотить энергию извне. Этот беспорядок, как ни парадоксально, стабилизирует экзотическую фазу материи. Именно эта «жёсткость» и позволяет колебаниям сохраняться.
Схема создания временного кристалла в одном из экспериментов
Экспериментальные реализации
Создание кристаллов времени обычно включает периодическое «подталкивание» квантовой многочастичной системы с помощью лазеров или микроволн. Несколько независимых исследовательских групп подтвердили их существование, используя разные платформы:
- Университет Мэриленда (2017 г.). В первой экспериментальной реализации использовали цепочку из 10 ионов иттербия, на которые воздействовали лазерами. Учёные заметили, что характер движения атомов отличался от воздействия лазера, что указывало на нарушение симметрии времени.
- Гарвардский университет (2017 г.). Для независимого подтверждения учёные воздействовали на азотозамещённые вакансии в алмазах микроволновым излучением. В полученной системе наблюдалось нарушение симметрии времени.
- Google Quantum AI (2021 г.). С помощью квантового компьютера Google Sycamore запрограммировали 20 кубитов. Авторы наблюдали устойчивые колебания, которые подтвердили существование кристалла времени в режиме МЧЛ.
- Университет Цинхуа / Венский технический университет (2023-2025 гг.). Исследователи создали кристалл времени из атомов рубидия при комнатной температуре. Система работает сотни миллисекунд — в разы дольше предшественников.
Зачем нужны кристаллы времени
Фундаментальная наука. Открытие кристаллов времени — это прорыв, который расширяет наши фундаментальные представления о том, какой может быть материя. Это не просто новый материал, а новая категория материи, определяемая её временными свойствами. Недавние исследования привели к созданию «временных квазикристаллов» — ещё более сложной фазы, которая колеблется сразу на нескольких несоизмеримых частотах, подобно сложному музыкальному аккорду.
Потенциальные применения. От фундаментальной науки до технологий — один шаг. Открытие кристаллов времени имеет огромный прикладной потенциал. Вот несколько сфер применения:
- Квантовые компьютеры. Одна из главных проблем квантовых вычислений — разрушение хрупкого квантового состояния кубитов. Кристаллы времени по своей природе устойчивы и могут значительно продлить время когерентности кубитов, выступая в роли стабильной квантовой памяти.
- Сверхточные часы. Точное и устойчивое периодическое движение делает кристаллы времени идеальными кандидатами для создания нового поколения сверхточных часов. Они могут превзойти существующие атомные часы, улучшить системы навигации и позволят с небывалой точностью проверить фундаментальные физические теории.
- Квантовое зондирование и управление светом. Временные квазикристаллы чувствительны к внешним полям, что делает их идеальными для создания сверхточных датчиков. А фотонные кристаллы времени позволяют экспоненциально усиливать свет, что может произвести революцию в лазерных технологиях, системах связи и медицинской диагностике.
В итоге
Когда-то кристаллы времени считались теоретически невозможными, но теперь они являются полноправной фазой материи. Открытие таких структур имеет глубокие последствия для фундаментальной науки — как минимум, они позволяют шире взглянуть на классификацию материи и открывают новую область исследований.
Появление временных квазикристаллов и фотонных кристаллов времени показывает, что мы находимся лишь в начале пути к пониманию всего многообразия квантовой материи, особенно в неравновесных условиях. Исследования в этой области могут помочь разработать мощные квантовые компьютеры, повысить точность датчиков, систем навигации и много другого.