Кристаллы времени нарушают известные нам законы физики

В феврале 2012 года лауреат Нобелевской премии Франк Вильчек представил на суд учёной общественности свою весьма необычную идею. Хотя это и казалось невозможным, физик сумел отыскать очевидное доказательство существования «кристаллов времени» — физических структур, которые движутся с определённой периодичностью, подобно минутной стрелке наручных часов, бесконечно, не затрачивая на движение никакой энергии и не останавливаясь.

Поначалу открытие временных кристаллов было встречено научным сообществом гробовым молчанием. Теория казалась чересчур экзотичной, более того, противоречащей закону физики: «существование вечного двигателя невозможно». Единственным комментарием, сопроводившим появление на свет теории о вечном движении, было высказывание польского физика, профессора  Якуба Закрвски: «Я просто не знаю».

Через год после своей публикации Вильчек получил возможность подтвердить теорию на практике. И не ради вечного двигателя (вряд ли вообще движущиеся кристаллические решётки можно использовать таким образом), а для того, чтобы пошатнуть основы господствующей в научном мире теории времени.

Теория как она есть

«Я просто подумал о том, что мы воспринимаем кристаллы как нечто трёхмерное. Тут всё намного сложнее, кристаллическая решётка может существовать и в четвёртом измерении. Весь интерес в том, как она будет вести себя во временной системе координат» — рассказал Вильчек о ходе своей мысли.

Когда материя кристаллизуется, атомы спонтанно складываются в определённую структуру трёхмерной решётки. Баланс сил между атомами предотвращает заполнение ими пустующих мест в этой решётке. Поскольку выбор места, которое предстоит занять атому, дискретный, кристаллы нарушают пространственную природную симметрию. Таким же образом, по мнению учёного, кристаллические структуры нарушают и временную симметрию, создавая нечто, движущееся и не затрачивающее на это энергии.

Большой эксперимент

В июне прошлого года группа физиков под руководством наноинженера из Бёркли Сянг Чжана  выдвинула идею создания кристалла в форме постоянно вращающегося кольца заряженных атомов, причём один из разработчиков заявил, что идея пришла ему в голову ещё до опубликования статьи Вильчека.

Эксперимент из Бёркли займёт, по словам самих экспериментаторов, «примерно от трёх до бесконечности лет», в зависимости от непредвиденных технических трудностей и финансирования. Итогом эксперимента физики полагают резкий прыжок науки от временных кристаллов за пределы таких устаревших  законов квантовой механики, вперёд, к более великим теориям.

«Интересно, сделаем ли мы следующий за Эйнштейном шаг в науке? — размышляет Тонгцхан Ли, один из участников группы. – Он же говорил, что квантовая механика ещё не полностью изучена».

Создание ионного кольца

Схема эксперимента, который планируют исследователи из Университета Бёркли

Команда физиков из Бёркли намерена создать кристаллы времени путём введения сотни ионов кальция в небольшую камеру, оснащённую электродами. Электрическое поле загонит ионы в «ловушку» шириной 100мкм, это – толщина человеческого волоса. Так как заряды отталкиваются, ионы рассредоточатся в пространстве ловушки равномерно, вокруг внешнего края, образуя кристаллическое кольцо. Затем диодные лазеры устранят кинетическую энергию ионов и охладят их практически до абсолютного нуля. Далее, в ловушке будет включено статическое магнитное поле, которое, по замыслу учёных, должно запустить ионное вращение. Если всё пройдёт успешно, физики планируют «пометить» один из ионов, чтобы наблюдать за периодичностью и скоростью движения. «Если» — ключевое слово в данном эксперименте. «Это будет действительно за гранью современного научного знания и понимания, разрушение временной симметрии, — мечтает профессор Ли. – Но сначала мы должны доказать, что оно действительно существует».

wired.com