Ничто не вечно, хотя некоторые вещи кажутся вечными. Речи на политических съездах, матчи плей-офф НБА и боевые сцены в фильмах «Матрица» продолжаются и продолжаются. Иногда сама жизнь кажется бесконечным узором на обоях, повторяющимся снова и снова через равные промежутки времени.
Независимо от того, такова жизнь на самом деле или нет, существует множество других вещей. Возьмите кристаллы, регулярные организации атомов, собранных в повторяющиеся узоры. Снежинки, например, представляют собой особый тип ледяных кристаллов с шестью одинаковыми лучами. Поверните чешуйку на одну шестую полного оборота, и она будет выглядеть так же, как прежде. Другими словами, снежинки проявляют симметрию в пространстве.
Конечно, более простые объекты также выглядят одинаково при вращении, например, идеально гладкая сфера. Но эта симметрия непрерывна - сфера выглядит одинаково, как бы вы ее ни поворачивали. Снежинки и другие кристаллы обладают дискретной симметрией - их внешний вид повторяется только на определенных расстояниях в пространстве. Так что вы можете думать о них как о космических кристаллах.
Не так давно лауреат Нобелевской премии по физике Фрэнк Вилчек из Массачусетского технологического института размышлял о симметрии космических кристаллов и задавался вопросом: если существуют такие вещи, как космические кристаллы, а время - это просто еще одно измерение, подобное тройке пространства, то почему разве не может быть кристаллов времени?
Кристалл времени демонстрирует симметрию во времени, аналогичную симметрии снежинки в пространстве. Точно так же, как вращение снежинки повторяет свои движения на определенных регулярных расстояниях в пространстве, кристалл времени будет возвращаться к своей первоначальной конфигурации через равные промежутки времени. Вильчек немного поработал с математикой и обнаружил, что на самом деле нет никакой теоретической причины не иметь кристаллов времени, но понять, как их сделать, может быть сложно.
Теперь физики из Калифорнийского университета в Беркли и их сотрудники говорят, что нашли способ. В статье, опубликованной 19 октября в журнале Physical Review Letters, группа из Беркли предлагает дизайн «кристалла пространства-времени» - одновременно и пространственного, и временного кристалла. (И в разное время.)
Эта схема требует захвата ионов - атомов, несущих электрический заряд из-за отсутствия некоторых электронов - в электрических полях, чтобы сформировать кольцо, вроде рогалика. Поскольку эти ионы, будучи одинаково заряженными, отталкивают друг друга, они заняли бы положения на равных расстояниях вокруг кольца, точно так же, как регулярно расположенные атомы обычного кристалла. Близлежащее магнитное поле заставит кольцо вращаться. Один из ионов в кольце можно пометить обнаруживаемым образом (вспомните изюм, заложенный в рогалике), что позволит ученым обнаружить повторяющееся периодическое движение, демонстрируя статус кристалла времени. Поскольку он находится в «основном состоянии», то есть ему не требуется никаких затрат энергии для поддержания себя, вращающийся атом-бублик представляет собой часы, которые тикают вечно.
Не волнуйтесь, это не вечный двигатель. Основное состояние - это состояние минимально возможной энергии. Вы не можете получить энергию от этого вращающегося рогалика, и он не может совершать никакой работы, поэтому законы термодинамики остаются нерушимыми.
Это крутая идея - буквально, поскольку кристалл пространства-времени опирается на квантовые процессы, работающие при температурах в нанокельвины. (Это как миллиардная часть температуры, обнаруженной в глубинах космоса.)
«Чтобы экспериментально реализовать такой кристалл пространства-времени с захваченными ионами, нам нужно плотно удерживать ионы, чтобы они имели небольшой диаметр, и охлаждать ионы до очень низкой температуры», - Тонгкан Ли и коллеги пишут в своей газете.
Ионные ловушки - устройства, использующие электрическое поле для удержания ионов в небольшом пространстве, уже широко используются для различных экспериментальных целей. А добиться необходимых сверхнизких температур в лаборатории непросто, но методы существуют.
Так что проект Беркли кристалла пространства-времени далек от научной фантастики. Это может быть даже в пределах досягаемости современных технологий. Вполне правдоподобно представить себе кольцо, содержащее около 100 ионов бериллия-9, охлажденное до 1,1 нанокельвина, что позволило бы продемонстрировать кристалл пространства-времени. Лазерный импульс потребуется, чтобы настроить один из ионов так, чтобы его можно было обнаружить вторым «зондовым» лазером, чтобы проверить вращение кольца.
Помимо впечатляющего примера совершенно неожиданного научного открытия, кристаллы времени могут быть даже полезны для чего-то. «Если их удастся создать, у кристаллов времени могут быть интригующие приложения, от точного хронометража до моделирования… схем квантовых вычислений», - пишет физик Якуб Закржевски в комментарии к новой работе.
Возможно, еще более интригующе то, что кристаллы времени предлагают новый способ концептуализации других процессов в физике. Часы, которые тикают вечно, могут просто описывать другие явления во вселенной - или, возможно, даже всю вселенную, размышляет Закшевский.
Другими словами, вселенная может существовать как периодическое отклонение от одинаковости времени, подразумеваемой симметрией часов, которые никогда не тикают (подобно поверхности сферы, неизменной независимо от того, насколько сильно она поворачивается).). Чтобы узнать, помогают ли кристаллы времени разобраться в таких расплывчатых идеях, потребуется некоторое время. Но, возможно, не навсегда.
SN Прайм | 22 октября 2012 г. | Том. 2, № 40