«Кристаллы времени» могут перевернуть теоретическую физику. Комментарий от Kelthuza

Хочу немного поразмышлять о том, что из себя представляет пространств-время. Поводом к этому явилась интересная статья: “Ученые подтвердили существование нового вида материи: кристаллов времени “. Суть статьи в том, что ученые открыли вещество, в котором происходит движение даже в состоянии покоя, при нулевой энергии. Ранее считалось, что в состоянии “нулевой энергии системы” движение теоретически невозможно. Но, как говорят, ” теория соответствует практике… теоретически”.

И теперь выяснилось, что движение в системе может поддерживаться даже при отсутствии внешних воздействий – есть материя, которая в обычном своем состоянии постоянно пребывает в движении.

Уже несколько месяцев идут разговоры о том, что исследователям удалось создать кристаллы времени - странные кристаллы, атомная структура которых повторяется не только в пространстве, но и во времени, что означает, что они постоянно двигаются без затрат энергии.

Теперь это официально подтвердили: исследователи только недавно рассказали в деталях, как создать и измерить эти странные кристаллы. И две независимые группы ученых утверждают, что им действительно удалось создать кристаллы времени в лабораторных условиях, пользуясь предоставленной инструкцией, тем самым они подтвердили существование абсолютно нового типа материи.

Открытие может показаться абсолютно абстрактным, но оно является предвестником начала новой эры в физике, ведь многие десятилетия мы изучали лишь материю, которая по определению была ‘в равновесии’: металлы и изоляторы.

Но звучали предположения о существовании во Вселенной самых разных странных видов материи, которая не находится в равновесии и которую мы даже не начали еще изучать, в том числе и кристаллы времени. Теперь мы знаем, что это не выдумка.

Сам факт того, что у нас теперь есть первый пример ‘неравновесной’ материи, может привести в прорыву в нашем понимании окружающего мира, а также таких технологий как квантовые вычисления.

“Это новый вид материи, и точка. Но классно и то, что это один из первых экземляров ‘неравновесной’ материи,” делится впечатлениями ведущий исследователь Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли.

“Всю вторую половину прошлого века мы изучали материю в равновесии, такую как металлы и изоляторы. И только сейчас мы ступили на территорию ‘неравновесной’ материи.”

Но давайте сделаем паузу и оглянемся, ведь концепт кристаллов времени существует уже несколько лет.

Впервые их предсказал нобелевский лауреат теоретик физики Фрэнк Вильчек в 2012-м году. Кристаллы времени - это структуры, которые, кажется, находятся в движении даже при малейшем уровне энергии, известным как основное состояние или состояние покоя.

Обычно, если материя находится в основном состоянии, также известным как состояние нулевой энергии системы, это означает, что движение теоретически невозможно, ведь на него требуются затраты энергии.

Но Вильчек утверждал, что кристаллов времени это не касается.

У обычных кристаллов атомная решетка повторяется в пространстве, совсем как углородная решетка алмаза. Но, как рубин или изумруд, они не двиггаются, потому что находятся в равновесии в своем основном состоянии.

А у кристаллов времени структура повторяется еще и во времени, не только в пространстве. И поэтому они в основном состоянии находятся в движении.

Представьте себе желе. Если его ткнуть пальцем, оно начнет колебаться. То же самое происходит и в кристаллах времени, но большое отличие в том, что им на движение не требуется энергия.

Кристалл времени - это как постоянно колебающееся желе в своем привычном, основном состоянии, и именно это делает его новым видом материи - ‘неравновесной’ материи. Которая просто не может усидеть на месте.

Но одно дело предсказать существование таких кристаллов, и совсем другое действительно их создать, что и произошло в новейшем исследовании.

Яо и его команда создали детализированную схему, в которой подробно описали, как создать и измерить характеристики кристалла времени, и даже предсказать какими должны быть различные фазы, окружающие кристалл времени, другими словами, они описали эквиваленты твердого, жидкого и газообразного состояний нового типа материи.

Статья интересна в том плане, что выявила определенный пробел в науке. В частности пробел положении о нулевой энергии и об отсутствии движения в системе, которая находится в состоянии покоя. Сразу не понятен смысл фразы “атомная структура которых повторяется не только в пространстве, но и во времени, что означает, что они постоянно двигаются без затрат энергии”. В моем понимании, атомная структура сохраняется как раз с состоянии покоя. В другой статье более подробно объясняется, что значит повторение атомной структуры во времени.

Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.

Вилчек говорил об этом возможном явлении еще в 2010 году: «Я постоянно думал о классификации кристаллов, а затем я подумал, что ведь можно представить и пространство-времени с этой точки зрения. То есть, если мы думаем о кристаллах в пространстве, логично будет представить кристаллические структуры во времени». В кристаллах атомы занимают стабильную позицию в решетке. А поскольку стабильные объекты остаются неизменными во времени, то существует возможность того, что атомы могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени. В исходное положение они возвращаются через дискретный интервал, нарушая временную симметрию. Если кристалл не потребляет и не производит энергию, то такие временные кристаллы являются стабильными, находясь в «основном состоянии». При этом в структуре кристалла происходят циклические изменения, что, с точки зрения физики можно считать вечным движением.

То есть, получается, что ученые открыли вещество, которое в основе своей колеблется с определенными циклами без внешних воздействий. При этом, через определенные промежутки времени, структура вещества совпадает. На ум приходит аналогия дыхания, будто бы материя дышит, либо в ней есть какой-то микро-мир, который пребывает в автономном динамически-равновесном состоянии, то есть в ней циркулирует энергия, которая потребляется в пределах этой же системы. То есть связь со временем тут такая, что время рассматривается как измерение сохранения симметрии системы.

Но после этого понимания, ум остается неудовлетворенным. Не видит в этом какой-то грандиозности, озарения. Может быть за недостатком понимания структуры кристаллов. Либо за недостатком понимания явления времени.

И хочется поразмышлять об этом более предметно. В частности поразмышлять о времени…
А начать хочется с того, чтобы рассмотреть, в чем проявляется интерес к этому явлению – в чем он может практически выражаться? В том или ином виде этот интерес представлен в литературе и кинематографе. Сходу на ум приходит следующее:

* возможность предсказывать катастрофы и негативные события

В качестве иллюстрации можно рассмотреть фильмы: “Земля Будущего” (Tomorrowland, 2015), “Час Расплаты” (Paycheck, 2003), “Терминатор” (The Terminator, 1984)

* возможность менять прошлое с различными намерениями
В качестве иллюстрации можно рассмотреть фильмы: “Назад в будущее” (Back to the Future, 1985), “Исходный код” (Source Code, 2011),”Дежа-вю” (Deja Vu, 2006), “12 Обезьян” (Twelve Monkeys, 1995)

* возможность менять субъективное прошлое индивидуума
В качестве иллюстрации можно рассмотреть фильмы: “Эффект бабочки” (The Butterfly Effect, 2003), “Континуум” (Project Almanac, 2014), “Петля времени” (Looper, 2012), “Машина времени” (The Time Machine, 2002)

В качестве иллюстрации можно рассмотреть книгу Филипа Дика “Особое мнение”, а также одноименный фильм (Minority Report, 2002)

В качестве иллюстрации можно рассмотреть фильм “Интерстеллар” (Interstellar, 2014)

В качестве иллюстрации можно рассмотреть фильмы: “Пророк” (Next, 2007), “День сурка” (Groundhog Day, 1993), “Грань будущего” (Edge of Tomorrow, 2014)

А теперь попробую поразмышлять над феноменом времени.

Время – это то, что течет, движется независимо от нас. Время можно разделить на прошлое, настоящее и будущее. Прошлое – то что уже свершилось. Настоящее – это текущий момент. А будущее – то, что еще не свершилось.
Далее можно рассмотреть отдельно прошлое, настоящее и будущее:

Прошлое

Оно фиксированно. В виде свершившихся событий. То, что можно вспомнить. Оно фиксируется в памяти, на различных носителях (фотографиях, видео, в рисунках, музыкальных записях). Все, что нас окружает в виде материальных объектов и событий с ними связанных – это прошлое. Прошлое связано с сожалением, разочарованием, радостью вспоминания.

Будущее

Это то, что еще не свершилось, но может свершиться. При первом приближении, будущее носит вероятностный характер. Например, мы подбрасываем монетку. В момент, когда она в воздухе, мы не знаем результат. Мы можем предположить вероятность того, что выпадет “орел” или “решка”, но мы не знаем этого наверняка. А узнаем мы это только тогда, когда будущее станет прошлым. Монетка упала, показав нам одну из граней, свершилось событие, стало прошлым – у нас есть информация об этом событии, фиксация события. Будущее связано с надеждами, грезами, предвкушением, ожиданием, страхом неведомого, волнением.

Настоящее

Это то, что находится между прошлым и будущим. Это точка, в которой будущее превращается в прошлое. Если рассмотреть время, как пленку кинопроектора, то прошлое – это кадры, которые уже были показаны, будущее, это кадры, которые еще будут показаны. А настоящее? А настоящее может быть текущим кадром (но он фактически тоже уже показан, то есть является прошлым). Либо настоящее может быть светом, которые подсвечивает кадр. Либо тем, кто воспринимает изображение. Если некому воспринимать события, то есть ли в этом случае время? Настоящее – оно содержит в себе субъективную природу (события и объекты, воспринимаемые нами), но оно содержит в себе также и объективную природу (текущее положение вещей на планете, в галактике, вселенной).

Можно начать с того, чтобы попробовать осмыслить настоящее со своей, субъективной позиции, как то, что происходит с нами и вокруг нас в настоящий момент. Если вернуться к аналогии с кинопроектором, то кадры в нем сменяются с определенной частотой (обычно около 25-30 кадров в секунду). Такая частота не случайно. Экспериментально установлено, что человеческий глаз перестает различать прерывистость изображения начиная с частоты 25 кадров в секунду. То есть наши глаза отправляют в мозг последовательность изображений с частотой менее 25 кадров в секунду. И, таким образом, можно сделать вывод, что мы воспринимаем изображение квантами.

Если рассмотреть информацию, воспринимаемую в виде звуков, то у них тоже есть частота. Есть низкочастотные звуки, есть высокочастотные звуки. В среднем ухо человека воспринимает звуки с частотой от 20 до 20 тыс. герц. И тут есть своя частота. Если рассмотреть не последовательность изображений, а свет, то и у световой волны есть частота, которая влияет на цветовой оттенок. Таким образом, наш мозг получает информацию о реальности в виде квантов – единиц информации – с определенной частотой. И субъективно время мы ощущаем при последовательном восприятии этих квантов.

Причем, у нашего восприятия есть интересная особенность – чем менее насыщенна информация, воспринимаемая нашими чувствами, тем, как нам кажется, дольше тянется время. Все замечали, что активный, динамичный и интересный фильм заканчивается будто бы быстрее, а скучный и нудный тянется очень долго. В очереди мы сидим по ощущениям много дольше, чем в компании интересных собеседников. То есть при высокой частоте последовательности квантов воспринимаемой информации, содержание этих квантов может меняться с разной степенью интенсивности. То есть при восприятии времени мы реагируем не только на частоту квантов, но и на информативность квантов, на интенсивность изменения информации, содержащейся в квантах. И это восприятие субъективно. Смотря динамичный и богатый событиями фильм в пятый раз, мы будем его воспринимать не так, как в первый, поскольку мы еще учитываем новизну информации. Читая глубокую философскую книгу в пятый раз мы можем обращать внимание на тонкие детали, которые были скрыты от нас при предыдущих прочтениях.

Но как бы ни было настроено наше восприятие, информация к нам поступает квантами. И в общем-то все изобретенные человеком устройства, которые передают информацию, передают ее в с определенной частотой (как в техническом плане, так и в смысловом, как последовательность смыслов, фраз, изображений, слов, звуков и т.д.).

Пространство

Исходя из этих размышлений, можно предположить и в дальнейшем опираться на гипотезу, что время представлено в виде квантов, последовательности состояний объектов.

Можно попробовать расширить это понятие, рассмотрев, что подразумевают состояния объектов. Если рассматривать объекты материальной природы, то можно их обобщить в материальное пространство. Но могут быть мысленные объекты – мысли в нашем уме сменяются с определенной последовательностью. Также, как и эмоции. Таким образом, можно рассмотреть время не только в связи с объектами материального мира (или с материальным пространством), но и в связи с астральным пространством (эмоции) и ментальным пространством (мысли).

Пространственно-временной континуум

То есть у нас уже получается некая картинка пространства-времени. Думаю, что многие слышали такое понятие, как пространственно-временной континуум. Континуум по другому можно назвать, как бесконечность. И если находясь в текущей точке пространства-времени, то есть в “сейчас”, окинуть внутренним взором пространственно-временной континуум в одну сторону (в прошлое) и в другую сторону (в будущее), то там в общем-то конца не видно. Можно быть он когда-то был (теория большого взрыва) или не был… Либо когда-то будет конец (судный день) либо это все выдумки… В любом случае, у нас есть сейчас, есть прошлое, в которое мы можем заглянуть, насколько хватает наших способностей, и есть будущее, которое мы можем предсказать с определенной вероятностью (например, я могу точно предсказать, что вечером Солнце скроется за горизонтом).

Параллельные реальности

Рассмотрим последовательность действий человека с точки зрения пространственно-временного континуума. Например, некий индивид решает, как провести выходной. Или пойти в кино. Или поехать на природу. Он подбрасывает монетку, выпадает “орел” и он идет в кино. Там он смотрит фильм, получает определенную информацию, получает определенный опыт. При этом в альтернативной реальности у него выпадает “решка”. Он едет в лес. Получает свой опыт. Итого, у нас есть две альтернативных линии пространственно-временного континуума. Можем ли мы в момент подбрасывания монетки знать, какая из этих линий реализуется? Мы можем это только предполагать.

Но, рассмотрим другой пример. Сейчас уже есть интерактивные фильмы, в которых зритель выбирает линию развития сюжета. В определенный момент при просмотре фильма зрителю задается вопрос: “что сделает персонаж?”. И зритель выбирает, как дальше пойдет сюжет. Потом ему снова задают вопрос, и он делает выбор. Пока зритель не досмотрел фильм, он не знает, чем он закончится. Но вот, фильм дошел до конца, и зритель в курсе относительно сюжета фильма. Но! Тут нужно отметить интересный момент. Зритель посмотрел полтора часа фильма (будем считать, что фильм длится 1ч 30м). При просмотре зритель сделал выбор, который повлиял на ход событий фильма. Однако, носитель информации содержит в себе и альтернативные линии развития событий. И если предположить, что фильм предлагает сделать выбор на 30й и 60 минутах, то в реальности есть 4 версии развития сюжета. Они уже существуют на момент просмотра зрителем фильма, так как он не влияет на эти события. Он только делает выбор, условно, по какому коридору пройти. Но коридор с картинками уже существует.

Усложним пример и представим, что зритель смотрит фильм в кинотеатре и в определенные моменты зрительному залу предлагается проголосовать за то, как поступит главный герой. В этом случае уже нет индивидуального выбора, а есть выбор коллективный, обусловленный различными факторами (возрастная категория зрителей, их культурный и мировоззренческий уровень, и т.д.). Выбор будет сделан, экран покажет полтора часа фильма, но факторы, влияющие на ход событий, будут более сложными, чем в предыдущем примере. Но даже и при таком ситуации, в реальности существует все те же 4 альтернативных версии фильма. И другая группа зрителей в другое время выберет другую последовательность событий.

Выбор

Продолжая размышления, возникает мысль – а что, если реальность устроена так же? Что, если все альтернативные версии существуют одновременно. И мы просто выбираем, по какой тропинке пройти. Тот человек, которые подбрасывал монетку – он мог положиться не на волю случая, а поразмыслить – чего бы ему хотелось? Ведь разный выбор приводит в разные точки пространственно-временного континуума. И если ему, к примеру, нужно побыть в уединении и поразмыслить над какой-то задачей, то он бы предпочел выбрать поездку на природу. А если ему бы требовалось сменить обстановку, пережить эмоции – то он бы выбрал пойти в кино. Он бы сделал выбор в зависимости от актуальных задач.


рис. 1	рис. 2

Рассматривая реальность, как последовательность выборов, существующих одномоментно, мы можем ее увидеть как сеть выборов (рис 1). И каждый выбор порождает следующий выбор. Причем каждому выбору предшествует предыдущий выбор (рис 2) и в той предшествующей точке, выбор мог бы быть другим. Есть более глобальные выборы (выбор места жительства) и есть менее глобальные (выбор одежды). Глобальность выбора определяет то, насколько он изменяет субъективную реальность. Переезд в новый город вызывает определенный уровень стресса, необходимость принимать множество новых решений, необходимость оперативных действий, но при этом предлагает новые возможности. А выбор оставить все как есть в свою очередь может вести к подавленности, когда назрела пора сделать рывок, но страхи мешают это сделать. Проиллюстрировать это можно на рис. 3.

рис. 3

Если вернуться к примеру с фильмом, то определенный сценарий мы выбираем с какой-то целью. Это может быть интерес: “Что будет, если произойдет то-то”. Либо мы предполагаем, что такой при таком выборе будет позитивное развитие сюжета, а при другом драматичное. Мы руководствуемся определенным мотивом. И аналогично в жизни, делая выбор, мы взвешиваем на чаше весов вероятные последствия этого выбора, руководствуемся какими-то индивидуальными целями. Мы не можем предсказать с точностью, что с нами произойдет. Но мы можем увидеть какие-то параллели в своем прошлом опыте, либо можем посоветоваться с человеком, который был в подобной ситуации, либо можем руководствоваться какими-то иллюзиями, либо можем действовать наугад с целью посмотреть: “что будет?”. И даже если нет сознательного выбора, есть выбор неосознанный, который заключается в том, чтобы, так сказать, “плыть по течению”.

Выбор и время

А теперь поразмышляем, как все это можно использовать? Как связан выбор и время?
Рассматривая сеть выборов в контексте пространственно-временного континуума, можно заметить одну деталь: если поместить внутренний взор на любую точку сети выборов, мы четко можем увидеть, что предшествовало этой точке (рис 4). Для любой точки пространства – есть прошлое, породившее эту точку. А будущее для этой точки можно предположить с учетом факторов, которые сложились на настоящий для этой точки момент. Если человек к какому-то моменту переехал в другой город, то его будущее будет связано с этим фактом. А в его прошлом есть факт переезда в другой город.


рис. 4	рис. 5

И тут обнаруживается интересная деталь. Мы можем попробовать поместить свое воображение в точку предполагаемого нами субъективного будущего и посмотреть из этой точки на наше настоящее (рис. 5). Если предположить, что все реальности существуют одномоментно и пространство меняется с определенной скоростью, то это значит, что в какой-то из альтернативных линий развертывания времени, можно прийти в точку назначения, совпасть с этим событием. И для того, чтобы попасть в эту точку, нужно совершить ряд выборов (рис. 6). И в зависимости от точки назначения, можно прийти быстро, а можно идти достаточно долго. А можно вообще заблудиться и потерять точку назначения из виду, увлечься чем-то и так далее (рис. 7).


рис. 6	рис. 7

И тут надо отметить одну деталь. Выбор влияет на линию развертывания событий, но не влияет на скорость развертывание. Время как двигалось, так и продолжает двигаться со своей скоростью. И если целевая точка, например “я прочитал книгу Две Жизни”, то предыдущими шагами к ней будет “я прочитал четвертый том”, “я прочитал третий том” и т.д. А если целевая точка “я живу в собственном доме”, то крупными мазками можно обозначить предыдущие точки: “я составил план дома”, либо “у меня есть деньги на покупку дома”, либо “у меня есть деньги на постройку дома”. Тут уже каждый видит путь индивидуально.

Постановка целей

От исследования явления времени, мы потихоньку пришли к вопросу постановки целей и способам достижения этих целей. Думаю, что исследование времени именно в этом контексте представляет из себя определенный интерес.

Практический интерес

Вернемся к тем мотивам, которые побуждают человека исследовать время, которые мы рассмотрели в начале статьи. Каждый из этих мотивов так или иначе укладывается в описанную схему.

* возможность предсказывать катастрофы и негативные события.
Каждой катастрофе так или иначе предшествует череда событий и явлений. Явления можно в какой-то степени предупредить за счет профилактических мер, либо за счет повышения надежности конструкций. То есть тут можно повышать компетенции в способности прогнозировать тенденции исходя из понимания геполитических и планетарных процессов.

* возможность менять прошлое с различными намерениями.
Помещая свое воображение в точку желаемого будущего, можно из этой точки попробовать “повлиять” на прошлое, то есть увидеть себя настоящим и поразмыслить, какими мотивами следует руководствоваться при принятии решений. Думаю, что с наработкой опыта связь повседневных выборов с будущими событиями будет прослеживаться все более и более отчетливо.

* возможность менять субъективное прошлое индивидуума.
Тут стоит отметить, что желание изменить прошлое возникает, после совершения ошибки, либо утери (ценности либо человека). То есть это желание сопровождается чувством утраты, сокрушения, саможаления, обвинения себя в чем-либо. Но ведь не будь этого опыта, не было бы и этих эмоций. И не было бы желания менять прошлое. И тут более разумным, на мой взгляд, является желание обретения способности сохранять внутренний покой и эмоциональную устойчивость вне зависимости от совершенных ошибок или ударов судьбы. И это уже разворачивает в будущее, настраивает на обретение соответствующих способностей.

* возможность предупреждения преступлений в будущем
Этот мотив сводится к способности прогнозировать поведение людей. Но если рассматривать способы решения этой задачи, представленные в фильмах (которые упоминались выше), то в них показано, что даже если у человечества есть такая возможность, то оно, как общество, ограничивает свое развитие. В том плане, что создается искусственная благоприятная среда и малейший поражающий фактор может ее разрушить. Как если бы вдруг из среды исчезли все патогенные вирусы и бактерии. В такой среде иммунитет бы атрофировался за ненадобностью и в дальнейшем безобидный вирус стал бы смертельным. То есть этот мотив довольно неоднозначный. И он решается в том числе и социальными методами: повышением уровня образованности, повышением уровня жизни, развитием института права, законодательной системы, за счет грамотной работы правоохранительных органов. В общем-то вопрос достаточно дискуссионный.

* возможность учиться и узнавать строение Вселенной
В этом плане уже само осмысление феномена времени настраивает на это.

* возможность видеть и корректировать субъективное будущее
Этот вопрос рассмотрен с позиции постановки целей, помещения воображения в точку желаемого результата и анализа шагов, которые могут привести к этому результату через пространство вероятных событийных линий. И тут, как я вижу, возможность видеть и корректировать свое возможное будущее зависит от наработки опыта, и установлении связи между совершаемыми действиями и результатами этих действий. Съел испорченную котлету – получил отравление. Обманул контрагента – обманули тебя. Проявил инициативу и перевыполнил план – получил премию.

Вообще, тема времени, выбора, причинно-следственных связей как в нашей субъективной жизни так и в жизни социума и планеты – довольно обширная. Я надеюсь, мои размышления помогут как-то систематизировать представление об этом явлении, помогут читателю пролить свет на какие-то вопросы и улучшить понимание этой темы.

Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)

В 2012 году лауреат Нобелевской премии по физике Франк Вилчек предложил необычную идею. Он предположил (и попытался доказать) возможность существования «кристаллов времени». Такие структуры, по словам физика, получают энергию для своего движения из разлома в симметрии времени. Разлом, по словам Вилчека, является некой особой формой вечного движения.

Кристаллы сами по себе очень необычные структуры. Например, кристаллам (тем из них, кристаллическая решетка которых не обладает высшей - кубической - симметрией), присуще свойство анизотропии. Анизотропия кристаллов - это разнородность их физических свойств (упругих, механических, тепловых, электрических, магнитных, оптических и других) по различным направлениям.

Современных физиков интересует не только анизотропия кристаллов, но и их симметрия. Что касается симметрии, то она проявляется не только в их структуре и свойствах в реальном трёхмерном пространстве, но также и при описании энергетического спектра электронов кристалла, анализе процессов дифракции рентгеновских лучей, дифракции нейтронов и дифракции электронов в кристаллах с использованием обратного пространства и т. п. Что касается «кристаллов времени», то здесь ученые предположили, что кристаллы симметричны во времени.

У многих физиков возникали сомнения в справедливости гипотезы возможности существования временных кристаллов. Но те ученые, кто принял ее, стали искать способы проверить справедливость предположения Вилчека. И нашли.

Крис Монро из Мэрилендского университета в Колледж-Парке впервые смог создать временной кристалл в своей лаборатории. Его идея состояла в том, чтобы создать квантовую систему в виде группы ионов, расположенных кольцом. При охлаждении кольца, как утверждал Монро (а до него и другие ученые), 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. Другими словами, вращаться. Конечно, извлечь энергию этого движения нельзя, поскольку это противоречит закону сохранения энергии.

Все это - теория. На практике реализовать эту задумку сложнее. О намерении создать кольцо из ионов и проверить справедливость гипотезы временных кристаллов несколько лет назад сообщали ученые из Беркли. 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.

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, ученые 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 определенного временного периода ученые зафиксировали бы нарушение временной симметрии.

Монро пошел схожим путем, только для создания кольца он использовал не ионы калия, а ионы иттербия. 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 можно использовать. 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; колебания приобретают характер стоячей волны, сконцентрированной (локализованной) в ограниченной области пространства.

Относительно недавно физики изучили группы квантовых частиц, взаимодействующих друг с другом таким образом, что это взаимодействие вынуждает их локализоваться. Монро смог использовать результаты этого исследования для того, чтобы заставить ионы иттербия занять определенные места в определенное время. В результате был создан временной кристалл, и команда Монро, таким образом, доказала возможность нарушения временной симметрии. При изучении свойств временного кристалла оказалось, что значительное изменение частоты возбуждения ионов заставляет кристалл «плавиться». По мнению ученых, создание временного кристалла открывает широкие возможности для квантовых вычислений. Например, на основе временных кристаллов можно создать надежную квантовую память.

Правда, работа Монро и коллег еще требует проверки. Другие команды физиков планируют проверить природу эффекта временных кристаллов, повторив эксперимент. Если это удастся, то гипотеза Франка Вилчека станет теорией, и квантовая физика получит стимул для дальнейшего развития.

Физики из Гарвардского университета создали новую форму материи - так называемый «кристалл времени», которая могла бы объяснить загадочное поведение квантовых систем.
Кристаллы, в том числе соли, сахара или алмазов по своей сути - просто периодическое расположение атомов в трехмерной решетке. С другой стороны, считается, что кристаллы времени добавляют к этому определению четвертое измерение. Предполагается, что при определенных условиях некоторые материалы могут проявляться в своей структуре и во времени.

Под руководством профессоров физики Михаила Лукина и Юджина Демлера команда ученых построила квантовую систему с помощью небольшого алмаза с миллионами примесей атомного масштаба, известных как «азото-замещенная вакансия» (NV-центр). Они использовали микроволновые импульсы, чтобы вывести систему из равновесия, вызывая вращение в центре и переворачивая их через определенные интервалы времени.

«На текущий момент ведется постоянная работа, чтобы понять физику неравновесных квантовых систем. Это та область, которая представляет интерес для многих квантовых технологий, поскольку в основном - это квантовая система, далекая от равновесия. На самом деле здесь много чего нужно исследовать, а мы пока находимся лишь в самом начале», - сказал Михаил Лукин.

О том, что такие системы могут быть созданы, первоначально казалось маловероятным. На самом деле, некоторые исследователи в этом вопросе зашли очень далеко. Они доказали, что создать кристалл времени в квантовой системе, находящейся в равновесии, невозможно. Физики объясняют, что большинство объектов вокруг нас находится в равновесии. Если у вас есть что-то горячее и холодное, и вы их объедините - температура выровняется. Но не все системы работают по такому принципу. Одним из наиболее распространенных примеров материала, вышедшего из равновесия, является алмаз. Это кристаллизованная форма углерода, которая образуется при высокой температуре и давлении. Алмаз необычен тем, что он мета-стабильный, то есть получив свою форму, она остается неизменной даже после того, как из него уберут факторы тепла и давления.

Только недавно ученые начали понимать, что неравновесные системы могут проявлять характеристики кристалла времени. Одна из этих характеристик заключается в том, что ответная реакция кристалла со временем остается устойчивой по отношению к различным раздражителям. Эффект кристалла времени имеет прямое отношение к идее, что система возбуждается, но не поглощает энергию.

Чтобы создать такую систему, Лукин и его коллеги начали с небольшого алмаза, в который встроено много NV-центров. С помощью микроволновых импульсов ученые периодически меняли ориентацию их вращения, чтобы увидеть, будет ли материал продолжать реагировать как кристалл времени.

Такие системы могут иметь решающее значение в разработке полезных квантовых компьютеров и квантовых датчиков. Они демонстрируют тот факт, что два критических компонента - длинная квантовая память и высокая плотность квантовых битов не исключают друг друга. По словам физиков, исследование даст возможность создать новое поколение квантовых датчиков, и, возможно, получит применение для таких вещей, как атомные часы.

Крис Монро работал с ионной ловушкой схожей конструкции (источник: Hartmut Häffner)

МОСКВА, 7 окт - РИА Новости . Американские ученые впервые смогли создать экзотическую структуру - так называемый "временной кристалл", внутри которого время течет не непрерывно, а своеобразными "шагами", говорится в статье, размещенной в электронной библиотеке arXiv.org

Кристаллы времени - необычные структуры, чье существование было предсказано в феврале 2012 года нобелевским лауреатом Фрэнком Вильчеком (Wilczek). Их главное свойство - в них законы физики будут вести себя особым образом, порождая необычные периодические структуры не в пространстве, как в обычных кристаллах, а во времени.

Почти все физические законы в нормальных условиях работают одинаково в любой временной точке. Формулы, описывающие физические процессы, не меняются при сдвиге времени на произвольное значение назад или вперед. Четыре года назад Вильчек предположил, что это правило - так называемая однородность времени - может нарушаться внутри экзотически устроенной материи, на поддержание которой требуется наименьшее количество энергии.

Физики заставили свет двигаться только в одну сторону внутри чипа Датские физики разработали своеобразную "одностороннюю дорогу" для частиц света, по которой они могут двигаться только в одну сторону, что позволит в ближайшем будущем создать световые диоды, транзисторы и прочие элементы вычислительных приборов и сетей.

При наблюдении за таким кристаллом нам будет казаться, что он движется, хотя на самом деле он будет находиться в состоянии абсолютного покоя. Его "движение" будет составлено из повторяющихся во времени дискретных элементов, подобных частицам материи в обычных кристаллах, что и заставило Вильчека назвать эту форму материи "временным кристаллом".

Многие ученые сомневались, что подобная форма материи может существовать в принципе, так как этому будут мешать законы квантовой механики, однако Цзехан Чжан (Jiehang Zhang) из университета штата Мэриленд в Колледж-Парке (США) и его коллеги нашли способ обойти эти ограничения и впервые увидеть подобный кристалл. Для этого они создали квантовую систему, которая находится в постоянном состоянии неустойчивости и меняется со временем.

Квантовый временной кристалл, созданный Чжаном и его коллегами, представляет собой набор из ионов иттербия, охлажденных до почти абсолютного нуля и расположенных по отношению друг к другу таким образом, что их спины постоянно взаимодействуют, переключая друг друга "по очереди".

Эти взаимодействия приводят к тому, что атомы редкоземельного металла фактически перестают вести себя как квантовые объекты и локализуются - становятся четко видимыми - в какой-то конкретной точке пространства, а не остаются в "размазанном" виде, как "нормальные" жители квантового мира.
Меняя спины этих атомов при помощи лазера, американские ученые заметили нечто необычное - через некоторое время после проведения манипуляций частота "переключения " спинов внезапно удваивалась.

Физик: сжатый свет поможет LIGO перешагнуть квантовый предел Использование так называемого "сжатого света" поможет увеличить чувствительность гравитационной обсерватории LIGO и позволит ей обойти фундаментальные ограничения на точность измерений, налагаемые законами квантовой механики.

Так как атомы никак иначе не взаимодействовали с окружающим миром и ученые не вмешивались в их работу, подобное поведение, по мнению Чжана и его коллег, может объясняться только тем, что данная структура является временным кристаллом, однородность времени в котором нарушается. Это подтверждается тем, что любые манипуляции лазером не меняли частоту "переключений" в самом кристалле - она всегда была одинаковой, несмотря на увеличение или уменьшение частоты переключения спинов лазером.

Как полагают ученые, подобные структуры можно использовать для создания квантовой памяти и ряда других эзотерических устройств, однако они признают то, что многие ученые захотят сначала перепроверить их выводы, и лишь потом думать о возможных практических применениях.