blog

Нарушение законов симметрии, или создание четырехмерного пространственно-временного кристалла

Невероятно, но само существование таких кристаллов нарушает некоторые из фундаментальных физических законов, что служит причиной возникновения ряда экзотических эффектов. Например, часы, построеннные на базе такого кристалла, могут "тикать" и после смерти Вселенной, в момент, когда все движение прекратится и время, по мнению некоторых ученых, остановится. 

В 2012 году ученый Франк Вилкзек (Frank Wilczek) предположил, что при определенных условиях можно заставить некую физическую повторяющуюся структуру перемещаться бесконечно долго, не расходуя при этом никакой энергии. В дальнейшем группа исследователей из Беркли, воплотила идею Франка Вилкзека в виде постоянно вращающегося кольца, состоящего из заряженных ионов. Следует отметить, что на проблему, скрывающуюся в таком подходе, указал физик Патрик Бруно (Patrick Bruno), который опубликовал интересную статью в журнале «Physical Review Letters». В ней отмечается, что для того, чтобы стать действительным пространственно-временным кристаллом, объект должен двигаться, находясь в самом низком из возможных энергетических состояний. В системах, описанных Франком Вилкзеком и учеными из Беркли, система находится в возбужденном энергетическом состоянии, которая при некоторых условиях может потерять часть своей энергии и, поэтому, не может считаться пространственно-временным кристаллом.

 Исследователи из Беркли нашли способ преодоления вышеуказанной проблемы. Используя свои последние достижения в области создания низкошумящих ионных ловушек, они создали ионную ловушку, в которой получили действительный пространственно-временной кристалл, характеристики которого удовлетворяют всем требованиям. Их работа, опубликованная в онлайн-издательстве «ArXiv», описывает этот кристалл как некое устройство на основе ионной ловушки с электрическим полем, которая использует закон Кулона для формирования пространственного кольцевого «кристалла». Эта структура под однократным воздействием слабого магнитного поля начинает медленно вращаться и в теории никогда не остановится, даже тогда, когда Вселенная «остановится».

 Пространственно-временной кристалл представляет собой квантовую кольцевую систему, состоящую из атомов иттербия, которые могут вращаться в двух направлениях, вверх или вниз. Используя свет лазера, ученые контролировали направление вращения ионов, находящихся в одной из половин круглой цепочки. Вращение каждого иона оказывает воздействие на соседние ионы и такое влияние приводит к тому, что «перевернутые» ионы, пройдя в большинстве случаев полный круг, возвращаются в свое исходное состояние. При этом время возврата в исходное состояние ровно в два раза превышает время, затраченное ионом на прохождение пути от условного начала круга до точки его «переворачивания».

 В ходе экспериментов установлено, что ионы возвращаются к оригинальной ориентации направления их вращения всегда с одинаковой скоростью, которая не зависит от момента времени и точки пространства. Это, в свою очередь, указывает на то, что квантовая система реагирует строго определенным образом на «возмущения» в ее состоянии. И все это очень напоминает поведение атомов в кристаллической решетке кристалла, которые сдвигаются со своего места под каким-либо внешним воздействием.

 Для физиков такой переворот в науке имеет огромное значение из-за того, что существование такого кристалла нарушает фундаментальное физическое понятие – симметрию.

 Человечество может получить в свое распоряжение уникальный квантовый инструмент, на основе которого можно будет создать часы настолько точные, по сравнению с которыми современные атомные часы будут выглядеть детским будильником. Эта технология может быть применена при телепортации, поскольку время «тут» и время «там» будет точным, и не будет приводить к разрушительным последствиям. Помимо этого, пространственно-временные кристаллы, наверняка найдут применение в качестве вычислительных элементов будущих квантовых компьютеров и других подобных устройств.

 Вероятно, что дальнейшие исследования приведут к выявлению некоторых совершенно иных законов физики и квантовой механики, на базе которых можно будет создавать технологии, которые сейчас считаются научной фантастикой.