Кристаллы времени - странные структуры

Понятие симметрии является одним из фундаментальных в современной физике. Оно выходит далеко за пределы обычной пространственной симметрии и, упрощенно говоря, заключается в сохранении действия тех или иных свойств системы при определенных ее преобразованиях.

К примеру, как бы ни ориентировалась система в пространстве, для нее продолжает действовать закон сохранения импульса – так проявляется симметрия пространства. Аналогичным образом при преобразовании (трансляции) времени для системы проявляет себя закон сохранения энергии. Вообще, в соответствии с теоремой Нётер, каждому виду симметрии соответствует некоторый закон сохранения. Можно сформулировать и наоборот, симметрично: законы сохранения – следствие фундаментальной симметрии.

Впрочем, известен целый ряд случаев и того, что Вселенная не проявляет симметричность, которая, казалось бы, вытекает из некоторых физических законов и принципов. Это явление известно, как спонтанное нарушение симметрии: в системе, описываемой симметричными законами и удовлетворяющей симметричным начальным условиям, появляются несимметричные конечные состояния.

Самым ярким примером симметрии служат знакомые всем кристаллы с их высокоупорядоченным расположением частиц. При этом сам процесс кристаллизации раствора можно назвать очень ярким примером спонтанного нарушения симметрии. В растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными: взаимодействие между частицами в кристалле не симметрично.

Кристаллы и их пространственная симметрия неплохо изучены – но лишь недавно работающие в США исследователи Аль Шэпир (Al Shapere) и Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) задумались над тем, возможно ли образование подобных периодических упорядоченных структур не в пространстве, а во времени, структур, при формировании которых происходит то же спонтанное нарушение симметрии. Ученые пришли к положительному ответу на этот вопрос – и ничуть не удивительно, что назвали такие структуры «кристаллами времени».

С помощью сложных математических выкладок авторы показали возможность существования системы на минимальном энергетическом уровне, которая за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени, приходила бы к несимметричному конечному состоянию – тому самому «кристаллу времени». На более близком нам уровне проявляться подобное может в форме периодических изменений определенных термодинамических свойств системы.

popmech.ru