Некоторые из современных квантовых физиков работают с эзотерической фазой материи, которая, кажется, не подчиняется нескольким законам физики.
Вы, вероятно, хорошо знакомы с основными состояниями материи - твердым, жидким, газообразным - которые являются основой повседневной жизни на Земле.
Но эти три различных вида материи, которые выглядят и ведут себя по-разному, - это еще не вся Вселенная. Ученые открыли (или создали) десятки более экзотических состояний материи, часто носящих мистические и причудливые названия: сверхтекучие жидкости, конденсаты Бозе-Эйнштейна, нейтронно-дегенеративная материя и др.
В последние несколько лет физики всего мира занимаются созданием другого состояния материи - "кристалла времени". Если это похоже на техническую тарабарщину из кинофильмов, то это уже не так. Используя квантовый компьютер, несколько исследователей создали кристалл времени, который, по их мнению, прочно закрепил кристаллы времени в мире физики.
Ученые еще не опубликовали свои исследования официально, но в прошлом месяце они разместили препринт (научную статью, которая еще не прошла экспертную оценку) на сайте ArXiV.
Так что же такое кристалл времени? Он может показаться критически важным компонентом, который заставляет работать машину времени, каким-то футуристическим источником энергии или, возможно, артефактом потерянной инопланетной цивилизации. Но, по мнению ученых, кристалл времени - это нечто более тонкое: нарушение законов физики.
Любой стандартный кристалл - алмаз, изумруд или даже кубик льда - определяется тем, что атомы кристалла каким-то образом расположены в повторяющихся узорах в пространстве. Существует три измерения пространства и четвертое измерение - время. Поэтому физики задались вопросом, могут ли атомы кристалла быть расположены в повторяющихся узорах во времени.
На практике это работает примерно так. Вы создаете кристалл, атомы которого находятся в одном состоянии. Если вы облучаете этот кристалл лазером с точной настройкой, эти атомы могут переходить в другое состояние, а затем снова переходить, а затем снова переходить, и так далее, и все это без какого-либо реального поглощения энергии от лазера.
Если вы отступите назад, то увидите, что вы только что создали состояние материи, которая находится в вечном, неограниченном движении, не используя никакой энергии.
Это не малый прогресс. Он противоречит одному из самых священных постулатов классической физики - второму закону термодинамики. Этот закон гласит, что количество энтропии, или беспорядочности, всегда имеет тенденцию к увеличению. Представьте себе вазу, стоящую на краю стола. Вселенная хочет столкнуть вазу и заставить ее разбиться об пол. Для того чтобы собрать ее обратно, нужно приложить энергию.
Кристаллы времени - это довольно новая идея, впервые она была выдвинута нобелевским лауреатом по физике Франком Вильчеком в 2012 году.
Обратите внимание: Почему смартфон быстро разряжается, что делать.
В то время не все физики согласились с этой теорией, поскольку кое-кто утверждал, что второй закон термодинамики покажет свою законную силу.Естественно, настойчивые исследователи нашли лазейки. В 2016 году физикам из Университета Мэриленда удалось собрать грубый кристалл времени из набора атомов иттербия. Другие группы создали кристаллы времени внутри алмазов.
Но эти недавние искатели кристаллов времени поступили иначе. Они обратились к Google и использовали квантовый компьютер: устройство, использующее причуды квантовой механики, кажущейся мистической физики, которая управляет Вселенной в мельчайших масштабах. Вместо того чтобы использовать кусочки кремния, как в обычных, "классических" компьютерах, квантовые компьютеры работают непосредственно с атомами или частицами. Это позволяет физикам проводить эксперименты, которые могут быть крайне сложными для традиционных компьютеров, поскольку квантовая физика, которая позволяет частицам быть несколькими вещами одновременно и взаимодействовать на, казалось бы, невозможных расстояниях, довольно эзотерична.
"Возможность моделировать правила... становится намного сложнее" с традиционными компьютерами,
говорит Габриэль Пердью, исследователь квантовых компьютеров в Фермилабе, национальной лаборатории в пригороде Чикаго, которая специализируется на физике элементарных частиц.
Но, упорядочивая частицы в процессоре квантового компьютера, можно буквально изучать системы крошечных частиц, как если бы они были строительными блоками. Это чрезвычайно сильная способность, которую нечасто встретишь в неквантовом мире.
"Мы не вычисляем, например, как далеко летит бейсбольный мяч... создавая миниатюрных бейсболистов и занимаясь моделированием",
- говорит Пердью. Но, по его словам, сделать нечто подобное в очень малых масштабах - это то, для чего исследователи использовали квантовый компьютер Google, чтобы сделать свой кристалл времени.
В этом случае физики могут взять атомы, переставить их местами, а затем воздействовать на них лазером, чтобы привести в движение. Эта установка позволила исследователям создать кристалл, который больше, чем любой другой временной кристалл до него. В то время как многие предыдущие кристаллы времени были недолговечными и распутывались в течение нескольких циклов переворачивания туда-сюда, ученые, создавшие этот последний кристалл времени, восхищены стабильностью того, что они создали.
"Самое интересное здесь для меня, - говорит Пердью, - это демонстрация использования квантового компьютера для реального моделирования системы квантовой физики и ее изучения, что является действительно новым и захватывающим подходом".
Итак, могут ли эти кристаллы времени действительно привести к новой волне зарождающихся машин времени?
Скорее всего, нет. Но они могут помочь сделать квантовые компьютеры более надежными. Инженеры уже много лет пытаются создать что-то, что могло бы служить памятью в квантовых компьютерах; некий эквивалент кремния, который лежит в основе традиционных компьютеров. Кристаллы времени, по мнению физиков, могут служить этой цели.
И этот эксперимент, говорит Пердью, также является демонстрацией возможностей квантовых компьютеров для научной работы. "Та же платформа, которая позволяет легко смоделировать какой-нибудь крутой алгоритм, - говорит он, - работает так же хорошо, а я бы сказал, даже лучше, для моделирования такого рода систем".
----------------------------------------------------------
Автор Rahul Rao
Оригинал статьи Popular Science
----------------------------------------------------------
Более подробно об исследования в статье в разделе Бесконечные изменения без затрат энергии: Кристалл времени, наконец-то ставший реальностью
Еще по теме здесь: Новости науки и техники.
Источник: Что же это за кристалл времени, и почему физики так им одержимы?.