>>>Работа! Продавайте контент на сайте Vinegret! Узнай как!<<< ||| >>>Хочешь иметь свою мобильную версию сайта в Play Market? Узнай как!<<<
Физики в, казалось бы, невозможном эксперименте смогли соединить два кристалла времени.

Физики в, казалось бы, невозможном эксперименте смогли соединить два кристалла времени.

1 мин


Физики создали систему из двух связанных кристаллов времени, представляющих собой странные квантовые системы, застрявшие в бесконечной петле, к которой неприменимы обычные законы термодинамики. Соединив вместе два кристалла времени, физики надеются использовать эту технологию для создания квантового компьютера нового типа.

«Это редкая привилегия — исследовать совершенно новую фазу материи», — сказал в электронном письме Live Science Самули Аутти (Samuli Autti), ведущий учёный проекта из Университета Ланкастера (Великобритания).

Физики в, казалось бы, невозможном эксперименте смогли соединить два кристалла времени.Изображение: Chuanchai Pundej/EyeEm via Getty Images

От кристалла к кристаллу времени

Мы в повседневной жизни постоянно сталкиваемся с обычными кристаллами, от льда в коктейле до бриллиантов в украшениях. И хотя кристаллы красивы, для физика они представляют собой нарушение нормальной симметрии природы.

Законы физики симметричны относительно пространства. Это означает, что фундаментальные уравнения гравитации, электромагнетизма или квантовой механики одинаково применимы ко всему объёму Вселенной. Они также работают в любом направлении. Таким образом, лабораторный эксперимент, повернутый на 90 градусов, должен дать те же результаты (при прочих равных условиях, конечно же).

Однако в кристалле эта великолепная симметрия нарушается. Молекулы кристалла располагаются в предпочтительном направлении, создавая повторяющуюся пространственную структуру. На жаргоне физиков кристалл является прекрасным примером «самопроизвольного нарушения симметрии» — фундаментальные законы физики остаются симметричными, а расположение молекул — нет.

В 2012 году физик Фрэнк Вильчек (Фрэнк Вильчек) из Массачусетского технологического института заметил, что законы физики также имеют временную симметрию. Это означает, что любой эксперимент, повторённый позже, должен дать тот же результат. Вильчек провёл аналогию с обычными кристаллами, но в измерении времени, назвав эту спонтанную симметрию, нарушающую время, кристаллом времени. Несколько лет спустя физики наконец смогли его построить.

Квантовые секреты

«Кристалл времени продолжает двигаться и периодически повторяется во времени при отсутствии внешней поддержки», — сказал Аутти.

Это возможно, потому что кристалл времени находится в самом низком энергетическом состоянии. Основные правила квантовой механики не позволяют движению стать полностью неподвижным, поэтому кристалл времени остаётся «застрявшим» в своём бесконечном цикле.

«Это означает, что они являются вечными двигателями и, следовательно, невозможны», — заметил Аутти.

Законы термодинамики предполагают, что системы, находящиеся в равновесии, имеют тенденцию к большей энтропии, или беспорядку: чашка кофе всегда будет остывать, маятник в конце концов перестанет раскачиваться, а мяч, катящийся по земле, в конце концов остановится. Но кристалл времени бросает вызов этому или просто всё это игнорирует, потому что правила термодинамики, похоже, к нему неприменимы. Вместо этого кристаллы времени подчиняются квантовой механике, правилам, управляющим зоопарком субатомных частиц.

«В квантовой физике вечный двигатель хорош, пока мы держим глаза закрытыми, и он должен начать замедляться, только если мы наблюдаем за движением», — сказал Аутти, имея в виду тот факт, что экзотические квантово-механические состояния, необходимые для кристаллов времени, не могут продолжать работать, как только они начинают взаимодействовать с окружающей их средой (например, если мы за ними наблюдаем).

Это означает, что физики не могут напрямую наблюдать кристаллы времени. В тот момент, когда они пытаются наблюдать за одним из них, квантовые правила, которые позволяют им существовать, нарушаются, и кристалл времени останавливается. И эта концепция выходит за рамки наблюдения: любое достаточно сильное взаимодействие с внешней средой, которое разрушает квантовое состояние кристалла времени, приведёт к тому, что он перестанет быть кристаллом времени.

Именно здесь и появилась команда Аутти, попытавшаяся с помощью классических наблюдений найти способ взаимодействовать с квантовым кристаллом времени. В мельчайших масштабах правит квантовая физика. Но жуки, кошки, планеты и чёрные дыры лучше описываются детерминистскими правилами классической механики.

«Континуум от квантовой физики к классической физике остаётся плохо изученным. Как одно становится другим — одна из выдающихся загадок современной физики. Кристаллы времени охватывают часть границы раздела между двумя мирами. Возможно, мы сможем узнать, как удалить границу раздела, подробно изучив кристаллы времени», — сказал Аутти.

Волшебные магноны

В новом исследовании Аутти и его команда для создания своего кристалла времени использовали «магноны». Магноны — это «квазичастицы», возникающие в коллективном состоянии группы атомов. В данном случае команда физиков взяла гелий-3 — атом гелия с двумя протонами, но только с одним нейтроном — и охладила его с точностью до десятитысячной градуса выше абсолютного нуля. При этой температуре гелий-3 превратился в конденсат Бозе-Эйнштейна, где все атомы имеют общее квантовое состояние и работают согласованно друг с другом.

В этом конденсате все спины электронов гелия-3 соединились и работали вместе, генерируя волны магнитной энергии — магноны. Эти волны вечно плескались туда-сюда, превращаясь в кристалл времени.

Команда Аутти взяла две группы магнонов, каждая из которых работала как отдельный кристалл времени, и сблизила их достаточно близко, чтобы они могли влиять друг на друга. Объединённая система магнонов действовала как один кристалл времени с двумя разными состояниями.

Учёные надеются, что их эксперименты смогут прояснить взаимосвязь между квантовой и классической физикой. Их цель состоит в том, чтобы построить кристаллы времени, которые взаимодействуют со своей средой без распада квантовых состояний, позволяя кристаллу времени продолжать работать, пока он используется для чего-то другого. Это не означало бы свободную энергию — движение, связанное с кристаллом времени, не имеет кинетической энергии в обычном смысле, — но её можно было бы использовать для квантовых вычислений.

Наличие двух состояний важно, потому что это основа для вычислений. В классических компьютерных системах основной единицей информации является бит, который может принимать состояние 0 или 1, в то время как в квантовых вычислениях каждый «кубит» может находиться более чем в одном месте одновременно, что обеспечивает гораздо большую вычислительную мощность.

«Это может означать, что кристаллы времени можно использовать в качестве строительных блоков для квантовых устройств, которые работают и за пределами лаборатории. В таком предприятии двухуровневая система, которую мы сейчас создали, будет основным строительным блоком», — отметил Аутти.

Эта работа в настоящее время очень далека от работающего квантового компьютера, но открывает интересные направления для исследований. Если учёные смогут манипулировать системой из двух кристаллов времени, не разрушая её квантовые состояния, они потенциально смогут построить более крупные системы кристаллов времени, которые будут служить настоящими вычислительными устройствами.

Правописание уведомления вебмастера


Понравилось? Поделитесь с друзьями!

Включить уведомления Да Спасибо, не надо