Остановись, мгновенье: Вечное движение
Важным свойством кристаллов — обычных, «пространственных» — является максимально низкое энергетическое состояние, в котором находится система в кристалле. По сути, чтобы получить кристалл, надо не вносить энергию в систему, а удалять ее. Вторая важная характеристика кристаллов — их анизотропия. В отличие от, скажем, жидкости или газа, свойства кристалла — например, твердость или электропроводность — проявляются по-разному в разных направлениях. Притом что частицы в кристалле связаны отношениями симметрии, свойства кристалла несимметричны.
Несколько месяцев назад Нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek) и его коллега Альфред Шэпир (Alfred Shapere) теоретически показали, что подобные кристаллы могут существовать не только в трех пространственных, но и в четвертом измерении — мы писали об этой их работе в заметке «Кристаллы времени». Эти идеи развили в своей недавней работе калифорнийские исследователи из группы профессора Сян Чзана (Xiang Zhang), которые предложили конкретную схему получения «кристаллов времени».
Принцип удивительно прост: облако ионов бериллия запирается в круговом электромагнитном поле. Электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, формируя, по сути, обычный кристалл, пусть и состоящий из ионов в газообразном состоянии, удерживаемых под действием внешнего поля. Пока поле неизменно, неизменным останется и такое состояние системы.
Однако расчет показывает, что при этом ионное кольцо не будет неподвижным, оно будет вращаться даже в том случае, если охладить его практически до абсолютного нуля. Таким образом, «ионное кольцо» представляет собой кристалл, устойчивую систему, проявляющую свойства периодичности и асимметрии и во времени, и в пространстве.
Такое «вечно вращающееся» кольцо наводит на мысли о вечном двигателе — но стоит заметить, что никаких нарушений законов физики в его вращении не наблюдается. Ведь система находится в состоянии с минимальной энергией, значит, никакой работы с ее помощью совершить не получится.
Это не значит, что от такого «кристалла времени» вообще нельзя добиться практической пользы. Он может объектом новых исследований или, скажем, идеальным хронометром. Современные ионные ловушки вполне позволяют получить «временной кристалл» уже сегодня — и этой задачей команда Сян Чзана уже занята.
По публикации MIT Technology Review / Physics ArXiv Blog