«Кристаллы времени», как источник вечного движения

Понятие симметрии, являясь одним из фундаментальных в физике, выходит далеко за пределы обычной пространственной симметрии, которая понятна интуитивно, и, упрощенно говоря, заключается в сохранении действия тех или иных свойств системы при определенных её преобразованиях.

К примеру, пространственная симметрия проявляется в том, что как бы ни ориентировалась система в пространстве, для неё продолжает действовать закон сохранения импульса. Аналогичным образом при преобразовании времени для системы проявляет себя закон сохранения энергии. Но теорему Нётер, в соответствии с которой каждому виду симметрии соответствует некоторый закон сохранения, можно сформулировать и наоборот: законы сохранения — есть следствие фундаментальной симметрии.

При этом известен целый ряд случаев, когда в системе, описываемой симметричными законами и удовлетворяющей симметричным начальным условиям, появляются несимметричные конечные состояния. Такое явление известно, как спонтанное нарушение симметрии.

Самым ярким примером отдельно взятой симметрии служат кристаллы с их высокоупорядоченным расположением частиц. При этом сам процесс кристаллизации раствора можно считать примером спонтанного нарушения симметрии, так как в растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне, что также является проявлением симметрии: взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными, так как взаимодействие между частицами в кристалле не симметрично. Это свойство, присущее кристаллам (тем из них, кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической — симметрией), называется анизотропией — разнородность их физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) по различным направлениям.

Считалось, что пространственная симметрия кристаллов неплохо изучена, но недавно исследователи из США Аль Шэпир (Al Shapere) и Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) задумались над тем, возможно ли образование подобных периодических упорядоченных структур, при формировании которых происходит то же спонтанное нарушение симметрии, не в пространстве, а во времени. Исследователи ещё в 2012 году в своей работе с помощью сложных математических выкладок показали возможность существования системы на минимальном энергетическом уровне, которая за счёт образования определённых периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию — «кристаллу времени». На более близком нам уровне проявляться подобное может в форме периодических изменений определённых термодинамических свойств системы.

«Я постоянно думал о классификации кристаллов, а затем я подумал, что ведь можно представить и пространство-время с этой точки зрения. То есть, если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры и во времени», — говорил Вильчек.

Если попытаться объяснить проще, то симметрия кристаллов проявляется не только в их структуре и свойствах в трёхмерном пространстве, но также, например, при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Именно такое неограниченное проявление симметрии и натолкнуло учёных на мысль о том, что и во времени кристаллы проявляют это свойство.

Немного научной фантастики

По сути Фрэнк Вильчек предположил и попытался доказать, что «кристаллы времени» получают энергию для своего движения из некоего разлома в симметрии времени. Разлом, по словам Вильчека, является особой формой вечного движения.

В кристаллах атомы занимают стабильную позицию в решётке. А поскольку стабильные объекты остаются неизменными во времени, то существует вероятность того, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решётку во времени, возвращаясь в исходное положение через дискретный интервал, нарушая тем самым временную симметрию. Если при этом кристалл не потребляет и не производит энергию, то такие временные кристаллы являются стабильными, находясь в «основном состоянии». При этом, что самое и будоражущее, и фантастичное, в структуре кристалла происходят циклические изменения, что, с точки зрения физики можно считать вечным движением.

Само собой многие физики сомневаются в справедливости гипотезы о возможности существования «кристаллов времени». Но те учёные, кто её принял, стали искать способы проверить справедливость предположения Вилчека. И, кажется, нашли.

Критика

Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского фонда синхротронного излучения во Франции — выразил несогласие. Бруно считает, что Вильчек и его коллеги ошибочно отождествляют времязависимое поведение объектов с возбуждённым энергетическим состоянием, а не основным. Нет ничего удивительного в объектах с избыточным энергетическим движением в цикле с замедлением движения по мере рассеяния энергии. Чтобы стать кристаллом времени, объект должен обладать вечным движением в основном состоянии.

Комментарий Бруно и ответ Вильчека появились в журнале PRL в марте 2013 года. Бруно продемонстрировал, что низкое энергетическое состояние возможно в системе, предложенной Вилчеком, как гипотетический пример квантового кристалла времени. Вильчек ответил, что хотя приведенный пример не является кристаллом времени, он не думает, что эта ошибка «ставит под вопрос основные понятия».

«Я доказал, что пример некорректен. Но у меня до сих пор нет общего доказательства. Пока».

Как доказать?

Учёными выдвинута такая идея для проверки гипотезы существования «кристаллов времени»: необходимо создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца 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, то есть вращаться. Следует понимать, что, судя по всему, извлечь энергию этого движения не получится, поскольку это, видимо, противоречит закону сохранения энергии. 

Суть эксперимента

На практике реализовать такой эксперимент довольно сложно. Группа физиков под руководством Сян Чжана, наноинженера из Беркли, и Тонгчанга Ли, физика из группы Чжана, предложили создать кристаллы времени в форме постоянно вращающихся колец заряженных атомов или ионов. (Ли сообщил, что он думал об этом еще до того, как прочитал документацию Вилчека). Сначала 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.

«Я очень заинтересован в том, могу ли я сделать вклад, следуя постулатам Эйнштейна», — говорит Ли. — «Он говорил, что квантовая механики является неполной».

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, учёные 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 определённого временного периода учёные зафиксировали бы нарушение временной симметрии.

Что уже показано?

В итоге эксперимент был осуществлён, только для создания кольца использовались не ионы калия, а ионы иттербия, что год назад описано в работе в одном из ведущих научных журналов Nature. 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 и использовали исследователи. 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 (то есть волновая функцияэлектрона, находящегося вблизи одного примесного центра, не расплывается по всем центрам, составляющим зону), то есть колебания приобретают характер стоячей волны, сконцентрированной (локализованной) в ограниченной области пространства.

Дополнительно учёные использовали результаты работы, в которой физики изучили группы квантовых частиц, взаимодействующих друг с другом таким образом, что это взаимодействие вынуждает их локализоваться, чтобы заставить ионы иттербия занять определённые места в определённое время. В результате был создан «кристалл времени», и команда Сян Чжана, таким образом, доказала возможность нарушения временной симметрии. При изучении свойств временного кристалла оказалось, что значительное изменение частоты возбуждения ионов заставляет кристалл «плавиться». По мнению учёных, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память.

Чтобы увидеть вращение кольца, учёные тронули один из ионов с помощью лазера, поставив его в другое электронное состояние, отличное от других ионов. Избранный ион оставался ярким и показывал своё новое местоположение, в то время как другие затемнялись вторым лазером.

Так как яркий ион обращался с постоянной скоростью, учёные впервые продемонстрировали, что трансляционная симметрия времени может быть нарушена.

Вывод

В общей теории относительности измерения пространства и времени сплетаются воедино — пространство-время. Но в квантовой механике, которая отвечает за взаимодействие веществ на субатомном уровне, время представлено иначе из-за невозможности непосредственного наблюдения квантово-механических объектов.

Различные понятия о времени могут быть одной из причин несовместимости ОТО и квантовой механики. По крайней мере один из этих двух элементов должен быть изменен, чтобы стало возможным создание всеобъемлющей теории квантовой гравитации.

Если другие группы учёных смогут повторить эксперимент и будет доказано, что «кристаллы времени» могут нарушать симметрию времени таким же образом, как обычные кристаллы разрывают пространственную симметрию, это будет говорить о том, что в природе эти две величины, похоже, обладают симметричными свойствами, а значит должны однозначно отражаться в теории. Значит, квантовая механика является несовершенной, и квантовым физикам придётся рассматривать время и пространство как две нити одной ткани.