«Кристалл во времени» - это необычная физическая концепция, теоретически предложенная несколько лет назад как иллюстрация спонтанного нарушения инвариантности законов физики от времени. Говоря привычными словами, это такая система, в которой в состоянии с наименьшей энергией и без какого-либо внешнего воздействия спонтанно возникало бы внутреннее движение. Быстро выяснилось, впрочем, что такая система невозможна - по крайней мере, в своей исходной формулировке. Однако совсем недавно физики предсказали, что, если вместо непрерывного течения времени взять его дискретный аналог, такая «кристаллизация» уже не будет ничему противоречить. На днях в журнале Nature были опубликованы две статьи разных коллективов экспериментаторов, сообщающие об успешной реализации таких «кристаллов в дискретном времени».

Терминологическое предисловие

Кажется необходимым начать этот рассказ с терминологического пояснения. Эта тема уже прошла недавно по лентам новостей, когда описываемые здесь статьи только появились в архиве электронных препринтов. В них рассказывалось про систему, названную авторами discrete time crystal . Все заметки переводили термин time crystal как «временной кристалл» или, еще загадочнее, «кристалл времени». Слово discrete почти везде опускалось, и если оно и фигурировало, то в комбинации «дискретный временной кристалл», что тоже не слишком проясняло ситуацию - кристалл ведь и так дискретный! Наконец, когда экспериментальные статьи были опубликованы в журнале Nature , на его обложке красовалась не менее загадочная художественная иллюстрация (рис. 1). Это всё навевало красивые и таинственные образы, которые, к сожалению, были далеки от того, что реально вкладывалось авторами в название.

В этой заметке мы попытались подобрать перевод, более близкий к исходному смыслу. Кристаллизуется, конечно, не время, а некоторая система частиц, и заметить эту кристаллизацию можно, изучив движение системы во времени. Отсюда термин «кристалл во времени», в противопоставление обычному «кристаллу в пространстве». А вот слово discrete следует относить ко времени , а не к кристаллу. Такую «кристаллизацию» можно заметить по периодическому движению не в настоящем времени, а в дискретном его аналоге, в «отсчетах» внешнего периодического воздействия. Поэтому такую систему мы называем «кристаллом в дискретном времени».

Впрочем, мы понимаем, что пока это всё кажется совершенно непонятным, - и поэтому давайте перейдем к сути.

«Кристаллизация во времени»

Физик-теоретик, Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек знаменит своими вкладами и нестандартными идеями в самых разных разделах теоретический физики. Поэтому когда в 2012 году он в паре коротких статей (первая , вторая) предложил спорную, но очень любопытную идею «кристаллов во времени», научное сообщество обратило на нее пристальное внимание.

Отправная точка этого предложения - это явление спонтанного нарушения симметрии, которое встречается в самых разных областях физики, начиная от обычной термодинамики и заканчивая миром элементарных частиц. Слово «спонтанное» означает, что, хотя сами физические законы обладают определенной симметрией, вещество, которое им подчиняется, всё же предпочитает собираться в такую конфигурацию, которая эту симметрию нарушает. Никто не «заставляет» систему нарушать симметрию, она это делает сама, спонтанно.

Пожалуй, самый яркий пример этого эффекта - это само существование кристаллических тел. Если на секунду представить себе гипотетическую ситуацию, когда атомы вообще никак не взаимодействуют друг с другом, то любое вещество было бы идеальным газом, совершенно однородным в пространстве. Эта пространственная однородность - проявление того, что законы, управляющие движением атомов, обладают симметрией: они не меняются при произвольном смещении в пространстве в любом направлении. Однако взаимодействие между атомами существует, и, если оно достаточно сильное, оно заставляет материю организоваться в периодическую пространственную структуру - кристалл. Кристалл симметричен относительно сдвигов не на любые расстояния, а только на вполне определенные шаги в конкретных направлениях. Можно сказать, что исходная сдвиговая симметрия спонтанно нарушилась, и ответственным за это нарушение является взаимодействие между атомами.

Вильчек задался вопросом: а нельзя ли найти такую систему, которая бы демонстрировала спонтанное нарушение симметрии относительно сдвигов по времени , а не в пространстве? Такая система вела бы себя крайне необычно. Если речь идет, например, о многочастичной системе, настоящем куске материи, то в состоянии теплового равновесия, без каких-либо внешних воздействий, в ней спонтанно возникало бы периодическое движение . Это были бы этакие «спонтанно тикающие часы», ход которых не задается никаким внешним метрономом. Визуальная схожесть с пространственной периодичностью в обычном кристалле, самопроизвольная периодичность, этакая «кристаллизация» во времени и дала идее такое броское название.

Подчеркнем сразу же два важнейших момента. Это должно быть движение в состоянии термодинамического равновесия, а не в возмущенном состоянии, и поэтому извлечь из него энергию, остановив движение, уже нельзя. Кроме того, движение должно быть детектируемым. Скажем, многоэлектронный атом тут не подходит: хотя электроны в основном состоянии атома могут вращаться вокруг ядра, это не приводит ни к какому наблюдаемому перетеканию электронной плотности.

Сам Вильчек признавал, что такая гипотетическая система выглядит противоестественной, но надеялся, что, специальным образом подобрав закон взаимодействия, можно ее создать. Однако быстро выяснилось, что это радикальное предложение все же неосуществимо. Возражения стали появляться сразу же, и в 2015 годы было окончательно доказано , что никакого спонтанного периодического движения в состоянии термодинамического равновесия возникнуть не может.

«Кристалл в дискретном времени»

Казалось бы, на этом можно было поставить точку. Но тут проявилась пытливость ума теоретиков: идея спонтанного нарушения инвариантности во времени была настолько привлекательной, что теоретики стали пытаться найти хоть нечто, похожее на нее, слегка ослабив исходные требования.

Один такой вариант, предложенный в прошлом году, получил название discrete time crystal , «кристалл в дискретном времени» (см. статью N. Y. Yao et al., 2017. Discrete Time Crystals: Rigidity, Criticality, and Realizations и более раннюю статью D. V. Else et al., 2016. Floquet Time Crystals). Он относится к ситуации, когда система из многих взаимодействующих частиц находится не в полной изоляции, а испытывает строго периодические толчки , внешнее воздействие с периодом t . Если в системе есть источник беспорядка, то внешние толчки не будут бесконечно раскачивать колебание или нагревать систему, а просто переведут ее в новое, особенное состояние - оно как бы равновесное, но только в условиях периодического внешнего воздействия. (Это утверждение само по себе - тоже совсем недавний результат , который и положил начало «кристаллам в дискретном времени».)

В таком новом равновесном состоянии, конечно, уже может существовать какое-то движение с периодом t - ведь систему-то периодически толкают! Исходная симметрия относительно произвольных сдвигов по времени уже отсутствует, зато остается неизменность законов движения относительно «дискретного времени», то есть сдвигов по времени на период t . И теперь вместо плавной эволюции системы с настоящим временем можно изучать то, как она ведет себя в дискретном времени, через несколько «прыжков» по времени на величину t .

Можно ли кристаллизацию по времени организовать вот в таком «дискретном времени»? Это означало бы, что в системе самопроизвольно запускается долгопериодическое движение с периодом T , который не равен, а в несколько раз превышает t . Поскольку тут уже нет строго равновесной ситуации, запрет, обнаруженный для настоящих кристаллов во времени, здесь уже не действует. Авторы прошлогодней теоретической статьи пришли к выводу, что такие «кристаллы в дискретном времени» действительно не противоречат законам физики, и даже предложили и численно проанализировали конкретный подход к их реализации.

Сделаем тут небольшое отступление и разберемся, что в этой идее важно, а что нет. Вообще-то хорошо известны примеры, когда в ответ на периодическое воздействие система двигается не строго с таким же, а с кратным периодом. Вспомните, например, как вы стоя раскачиваетесь на качелях: вы приседаете и встаете с частотой вдвое большей частоты качелей. Или другими словами, вы воздействуете на качели, периодически меняя момент инерции (и создаете тем самым параметрический резонанс), и в системе усиливается колебание со вдвое большим периодом.

Особенность этого и других подобных примеров - это отсутствие «жесткости» результата. Да, возникает отклик с периодом T > t , но отношение T/t - не зафиксировано, оно податливо. Мы можем изменить периодичность воздействия и увидим, что T/t изменится. Например, на тех же качелях чуть-чуть изменить темп приседания относительно идеального значения, то вместо раскачки колебаний будут наблюдаться биения - амплитуда колебаний то плавно возрастает, то плавно уменьшается, - а это признак наложения двух колебаний с близкими, но разными частотами.

В настоящем кристалле в дискретном времени никаких биений быть не должно. Отношение T/t обязано оставаться неизменным даже при небольших искажениях системы, при сознательном смещении частоты воздействующей силы относительно идеального значения. Образно говоря, кристалл во времени должен обладать своеобразной «жесткостью» - но только это не пространственная жесткость, а временная.

Кроме того, эта жесткость должна обеспечиваться взаимодействием отдельных частиц. Она должна проступать, когда взаимодействие становится сильнее некоторого порога, и исчезать, когда беспорядочный шум пересиливает его упорядочивающую тенденцию. Иными словами, система должна демонстрировать фазовые переходы: «затвердевать в дискретном времени» при усилении взаимодействия и «плавиться» при усилении шумов.

Две экспериментальные работы

Две экспериментальные работы, опубликованные в свежем выпуске Nature , предлагают две разных реализации «кристалла в дискретном времени» (рис. 2). Они отличаются исходным материальным носителем и тонкостями эксперимента, но по своей сути очень похожи. В одном случае это были 10 отдельных ионов иттербия, пойманных в ловушку и висящие в пространстве на расстоянии три микрона друг от друга. Поскольку ионы отделены друг от друга, физики могли воздействовать лазерными импульсами либо сразу на всех них, либо на каждый ион независимо. Во второй статье это были атомы азота, внедренные в виде примеси в кристаллик алмаза. Там на кристаллик микронных размеров приходилось около миллиона таких примесных атомов, и на всех них синхронно воздействовали импульсами микроволнового излучения.

Обратите внимание на важный момент. В обоих случаях «кристаллизация» относится не к материальному перемещению самих атомов, а к ориентации их спинов . Атомы никуда не двигались: они либо удерживались в ловушках, либо намертво засели внутри кристалла. А вот их спины были вполне подвижные; именно на них воздействовали физики и именно они образовывали кристаллическую упорядоченность во времени. Поэтому не следует визуализировать эти достижения как какую-то новую субстанцию, которая периодически превращается в физически осязаемый кристалл, как на рис. 1; всё здесь было намного более прозаично.

Управление спинами осуществлялось с помощью циклических воздействий короткими импульсами лазерного света или микроволнового излучения. В каждом цикле был импульс воздействия, синхронно поворачивающий все спины на строго определенный угол. Это тот самый четко отмеренный удар по системе. Затем следовал специальный импульс, «включающий» на время попарное взаимодействие атомов, которое зависело от взаимной ориентации спинов и их удаленности друг от друга. Интенсивностью этого взаимодействия можно было управлять в широких границах. Наконец, в случае с цепочкой ионов использовался и третий импульс, для насильного создания беспорядка, - и здесь как раз сильно помогло то, что на каждый ион можно было воздействовать независимо. В случае примесей в кристаллике этого не требовалось, там беспорядок и так присутствует в виде хаотичного размещения в кристалле. Эта комбинация импульсов - удар, взаимодействие, беспорядок - это и есть один цикл длительностью t . Вся процедура повторяется снова и снова вплоть до сотни раз. По окончании воздействий физики измеряют результирующее состояние спинов - либо поштучно, как в случае с цепочкой ионов, либо целиком во всем кристаллике.

Явление, которое происходит в таких условиях, схематично показано на рис. 3. Первый цикл воздействия почти точно переворачивает спины из положения вверх в положение вниз, а второй цикл воздействия возвращает спины практически в исходное состояние. Вместе получается периодическое движение с удвоенным периодом. Хаотичное воздействие стремится разбить этот порядок, но за счет взаимодействия спины цепляются друг за друга и пытаются удержаться сонаправленными. И самый важный момент: даже если импульс воздействия оказался недостаточно выверенным, например, он не до конца повернул спины, то атомы своими коллективным усилием компенсируют эту неточность и все равно держат строгий двухпериодический цикл. Период отклика жестко стоит на отметке 2t , даже если импульс воздействия пытается «навязать» атомам другой период. Это и есть пресловутая жесткость кристалла, способность сопротивляться отклонению в сторону.

Не так давно ученые объявили об открытии нового состояния вещества с поразительными свойствами, которое официально было добавлено к уже внушительному списку, включающему много интересных пунктов, помимо известных всем твердого, жидкого и газообразного агрегатных состояний. Concepture публикует перевод статьи, дающей общее представление о природе и возможном применении временных кристаллов.

В начале этого года физики составили предварительную программу по созданию и измерению временных кристаллов - странного состояния вещества, характеризующегося тем, что атомная структура повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянную осцилляцию (колебание) без затраты энергии.

Две независимых группы исследователей смогли создать что-то, что было до жути похоже на временные кристаллы еще в январе, но рецензирование оба эксперимента прошли относительно недавно, что позволило официально ввести «невозможное» явление в царство физической реальности.

«Мы взяли теоретические идеи, которые мы крутили и так, и этак в течение пары лет, и, на самом деле, создали эти кристаллы в лаборатории», говорит один из исследователей, Эндрю Поттер (Andrew Potter) из Техасского университета, г. Остин, и добавляет: «Надеемся, что это всего лишь первый образец и их будет еще много».

Временные кристаллы - это одна из самых захватывающих новостей, которыми физики порадовали мир за последние месяцы. Дело в том, что кристаллы указывают на наличие целого мира «неравновесных» фаз, кардинально отличающегося от всего, что ученые исследовали раньше.

В течение десятилетий ученые изучали вещества, такие как металлы и диэлектрики, которые определяются тем, что находятся в состоянии «равновесия», то есть в состоянии, при котором все атомы в материале имеют то же количество тепла.Теперь, похоже, временные кристаллы станут первым примером неравновесного состояния вещества, существование которого было предсказано теоретически, но еще не было исследовано на практике.

К тому же они могут приблизить революцию в способе хранения и передачи информации через квантовые системы. «Это показывает, что разнообразие состояний вещества еще шире (чем мы думали)», в интервью сказал физик Норман Яо (Norman Yao) из Калифорнийского университета, Беркли, который опубликовал программу по созданию временных кристаллов еще в январе.

«Одним из священных Граалей физики является понимание, какие типы вещества могут существовать в природе. Неравновесные фазы представляют собой новый путь, отличный от всех тех явлений, которые мы изучали в прошлом».

Временные кристаллы, существование которых впервые предположил лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик, Фрэнк Вильчек, это гипотетические структуры, пребывающие в движении даже на самом низком энергетическом уровне, известном также как «основной уровень» (ground state). Обычно, когда материал входит в свое основное состояние - также называемое нулевой точкой энергии системы - движение, теоретически, должно быть невозможно, так как оно требует затраты энергии.

Но Вильчек создал в своем воображении объект, который мог достичь постоянного движения, изначально пребывая в основном состоянии, снова и снова периодически изменяя расположение атомов в кристаллической решетке, то есть, как бы выходя из основного состояния и возвращаясь в него.

Однако, давайте проясним ситуацию - это не вечный двигатель, так как общее количество энергии системы равно нулю. Но эта гипотеза казалась изначально неправдоподобной по другой причине. Она предполагала наличие системы, которая нарушает самое фундаментальное положение современной физики - симметрию относительно сдвига во времени, которое гласит, что законы физики одинаковы везде и всегда.

Как объяснил Дэниэль Оберхаус (Daniel Oberhaus) в интервью Motherboard , симметрия относительно сдвига во времени является причиной того, что невозможно подбросить монетку один раз таким образом, чтобы возможность выпадения «орла» и «решки» была бы 50/50, но в следующий раз, когда вы подбрасываете монетку, вероятность, внезапно, составляет 70/30.

И все же некоторые объекты способны нарушать эту симметрию, находясь в своем основном состоянии, при этом не нарушая законы физики. Представьте себе магнит с северным и южным полюсом. Неясно, как магнит «решает», какой полюс у него северный или южный, но факт того, что у него есть эти полюса, северный и южный, подразумевает, что он не будет выглядеть одинаково с обоих концов - он от природы ассиметричен.

Другим примером физического объекта с ассиметричным основным состоянием является кристалл. Кристаллы известны своими повторяющимися структурными паттернами, но атомы внутри них имеют свои «предпочтительные» позиции в решетке. Таким образом, в зависимости от того, с какой точки вы рассматриваете кристалл в пространстве, он выглядит различно - законы физики больше не симметричны, потому что они неприменимы равным образом ко всем точкам в пространстве.

Держа это в уме, Вильчек предположил, что возможно создать объект, который достигает ассиметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, а во времени. Что пораждает логичный вопрос, могут ли атомы «предпочитать» разные состояния в течение разных промежутков времени?

Спустя несколько лет американские и японские исследователи показали, что это возможно, но при этом в предположение Вильчека было внесено значительное изменение: чтобы кристаллы снова и снова сменяли свои состояния, им иногда нужно давать «толчок».

В январе этого года, Норман Яо (Norman Yao), в своем интервью Элизабет Гибни для журнала «Nature », описал, как можно построить такие системы, при этом используя более «слабый» вид нарушения симметрии, чем тот, который предполагал Вильчек.

«Это как прыжки на скакалке, когда, каким-то образом, мы вращаем руки два раза, но скакалка вращается только один раз», говорит он, добавляя, что, в версии в Вильчека, скакалка двигалась бы вовсе сама по себе - «Это звучит уже менее странно, чем изначальная идея, но, все еще, чертовски странно».

Две независимых группы исследователей, одна от Университета штата Мэриленд, другая - от Гарвардского Университета, взяли на вооружение эту идею и воплотили ее в жизнь, создав две разные версии временного кристалла, которые оказались одинаково жизнеспособными.

«Обе системы очень впечатляют (в оригинале: «really cool»). Они очень сильно отличаются. Думаю, они, в высшей степени, дополняют друг друга», сказал Яо в интервью Gizmodo - «Я не думаю, что одна из них лучше другой. Они относятся в двум разным физическим условиям. Тот факт, что мы наблюдаем сходную феноменологию в двух очень разных системах, по-настоящему захватывает дух».

Как описано в препринте, вышедшем в январе 2017 года, временные кристаллы, созданные группой из Университета Мэриленд, были сконструированы в виде «паровозика» из 10 атомов иттербия, у всех этих атомов был «спутанные» спины электронов.

Крис Монро, Университет штата Мэриленд

«Ключевым условием, необходимым для обращения данной конструкции во временной кристалл, было поддержание ионов в неравновесном состоянии, для этого исследователи попеременно подвергали их воздействию лазеров. Один из лазеров создавал магнитное поле, а второй лазер - частично изменял спины атомов» - рассказала Фиона МакДональд, в одном из своих предыдущих интервью Science Alert.

Так как спины атомов были «спутанными», атомы сформировали стабильный, повторяющийся паттерн смены спина, который определяет кристалл. Параллельно с формированием повторяющегося паттерна происходило что-то на самом деле странное, но одновременно необходимое, чтобы превратить данную структуру во временной кристалл - паттерн изменения спинов в системе повторялся только наполовину так часто, как импульсы лазеров. «Это, как если бы вы потрясли желе и обнаружили бы, что его ответные колебания были бы с другим периодом, чем изначальные, не правда ли, это было бы крайне странно?» говорит Яо. Что касается, гарвардских временных кристаллов, то они были созданы на основе алмазов, загрязненных азотом, которые по этой причине выглядели полностью черными.

Гарвардский алмаз. Credit: Georg Kucsko

Спин данных примесей также периодически сменялся и возвращался к изначальному состоянию, как и спин ионов иттербия в рамках эксперимента Университета Мэриленда. Это был очень волнительный момент для физики, но теперь все действительно официально, потому что оба эксперимента прошли рецензирование, а результаты опубликованы в двух разных статьях в журнале «Nature».

Теперь, когда стало известно, что такое явление существует, необходимо придумать способы его использования. Одним из наиболее многообещающих применений временных кристаллов являются квантовые вычисления - они могут помочь физикам создать стабильные квантовые системы, работающие при значительно более высоких температурах, чем существующие на сегодняшний день, то есть, это может стать тем толчком, который сделает квантовые компьютеры повседневной реальностью.

Даже люди, далекие от науки, могут почувствовать потенциал новой технологии. Интересно, что она нам принесет?

Возможно вы не знали:

Квантовая запутанность квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или большего числа объектов оказываются взаимозависимыми. Например, можно получить пару фотонов, находящихся в запутанном состоянии, и тогда если при измерении спина первой частицы спиральность оказывается положительной, то спиральность второй всегда оказывается отрицательной, и наоборот.

Спин (от англ. spin, буквально – вращение, вращать(-ся)), собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Спином называют также собственный момент импульса атомного ядра или атома.

Иттербий элемент побочной подгруппы третьей группы шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, лантаноид, атомный номер - 70. Обозначается символом Yb. Относится к редкоземельным элементам (иттриевая подгруппа).

Основное состояние (основное состояние квантовомеханической системы) это ее состояние с наименьшей энергией; энергия основного состояния также известна как нулевая энергия системы.

Состояние вещества (агрегатное) состояние одного и того же вещества в определённом интервале температур и давлений, характеризующееся определёнными, неизменными в пределах указанных интервалов, качественными свойствами.

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.

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.

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.

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.

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.

Недавно группа американских физиков смогла сконструировать так называемый "кристалл времени" — структуру, возможность существования которой была предсказана уже давно.

Особенностью кристалла является способность периодически становиться асимметричным не только в пространстве, но и во времени. Поэтому из него можно сделать сверхточный хронометр.

Кристаллы - вообще весьма парадоксальные образования. Взять хотя бы их отношения с симметрией: как мы знаем, сам по себе кристалл, если судить по его внешнему виду, можно считать просто образцом пространственной симметрии. Однако процесс кристаллизации есть не что иное, как ее злостное нарушение.

Это очень хорошо иллюстрирует пример образования кристаллов в растворе, например, каких-нибудь солей. Если проанализировать данный процесс с самого начала, то будет видно, что в самом растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Однако взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными.

аким образом, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами в получившемся кристалле совсем не симметрично. Из этого вытекает ряд важнейших свойств кристаллов - например, эти структуры, в отличие от жидкости или газа, по-разному проводят электрический ток или тепло в различных направлениях (могут проводить на север, а на юг - нет). В физике данное свойство называется анизотропией. Эта кристаллическая анизотропия уже давно используется человеком в различных отраслях, например, в электронике.

Еще одним интересным свойством кристаллов является то, что он, как система, всегда находится на минимальном энергетическом уровне. Что самое любопытное, он намного ниже, чем, например, в растворе, который "породил" кристалл. Можно сказать, что для того, чтобы получить данные структуры, нужно "отнимать" энергию у исходного субстрата.

Итак, при образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве , но и во времени.

С помощью сложных математических выкладок ученые смогли доказать, что это вполне возможно. В итоге получилась система, существующая, как и реальный кристалл, на минимальном энергетическом уровне. Но самое интересное заключается в том, что она за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию. Авторы работы назвали такую систему очень торжественно - "кристаллом времени".

Через некоторое время группа физиков-экспериментаторов во главе с профессором Чжан Сяном из Университета Калифорнии (США) решила создать такую систему уже не на бумаге, а в реальности. Ученые создали облако ионов бериллия, после чего "заперли" его в круговом электромагнитном поле. Поскольку электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, исследователи, по сути дела, получили газообразный кристалл. И пока характеристики поля были неизменными, то состояние системы, по идее, тоже не должно было меняться.

В то же время расчеты, а затем и наблюдения показали, что это самое ионное кольцо не будет неподвижным. Газообразный кристалл постоянно вращался, и взаимодействия ионов при этом были то симметричными, то нет. Все это наблюдалось даже тогда, когда кристалл охладили практически до абсолютного нуля. Таким образом, эта структура действительно является "кристаллом времени": она проявляет свойства периодичности и асимметрии как в пространстве, так и во времени.

Любопытно, что неспешно вращающееся кольцо ионов, сконструированное группой профессора Чжана, вызвало у многих неспециалистов ассоциацию с вечным двигателем. Конечно, газовый кристалл внешне похож на perpetum mobile, однако на самом деле таковым не является. Ведь эта система не может совершить никакой работы, так как все ее составляющие находятся на одном энергетическом уровне (к тому же, минимальном). А согласно второму закону термодинамики, работа возможна лишь в той системе, составляющие которой находятся минимум на двух энергетических уровнях.

В то же время это вовсе не значит, что "кристалл времени" никак нельзя использовать для практических нужд. Профессор Чжан убежден, что на его основе можно сконструировать, например, сверхточный хронометр. Ведь переход от симметрии к асимметрии имеет ярко выраженную периодичность. Пока же профессор и его коллеги хотят заняться более детальным изучением свойств созданной ими замечательной структуры…