- Николай Воронин
- Корреспондент ВВС по вопросам науки
В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи — так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов фундаментальным законам физики.
Исследователями из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов подготовили научную статью, в которой подробно описали технологию создания кристалла . Осенью ее опубликуют в журнале Nature — после того, как статью проверит научное сообщество.
- Может ли физика доказать существование бога
- Эйнштейн ошибся? Карта темной материи открывает новые тайны Вселенной
Авторы работы (а в черновике публикации перечислено более сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров — настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров пошли бы тысячелетия. Собственно, кристалл времени и создали внутри самого мощного на сегодня квантового компьютера, Google Sycamore.
Эксперты называют это открытие настолько революционным, что «мы пока даже не можем полностью осознать его важность».
Что такое кристалл времени?
Всем известны три основных состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить один в другой при необходимых условий — давлении и температуре.
Однако этими тремя состояниями Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всех привычных для нас веществ.
За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучих квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденную вещество, бозе-эйнштейновской конденсат и другие.
Темпоральный кристалл — один из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный — то драгоценное бриллиант, или простой лед.
В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл — твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгом повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный — так что его структура скорее напоминает кубик Рубика.
В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. Поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.
Однако теория относительности утверждает, что, кроме трехмерного пространства, во Вселенной есть и четвертое измерение — время. Поэтому в 2012 году американский физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться так же — в повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга — но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в исходное положение.
Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом вверх. Затем эту коробку хорошенько потрясли, открыли — и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перекинулись одинаково: теперь все до единой лежат вверх решкой.
Потрясли еще раз — опять везде орел; еще — опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась сначала — и возвращается к нему снова и снова, после каждой парной изменения. А после каждой нечетной — изменяет это состояние на противоположное.
Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а ее результат повторяется через раз, ученые говорят, что в этом случае нарушена симметрия времени. Именно это — определяющая свойство темпоральных кристаллов.
Монеты в данном случае — это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка — их квантовые состояния, а «встряхивания коробки» — любой периодически повторяющийся воздействие (например, облучения кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории — и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.
И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата обнаружили неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились — и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени это революция в науке?
Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики — в любом случае так кажется на первый взгляд.
Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не тратя при этом энергию (энергия лазера кристалла не передается, выступая своеобразным » физическим катализатором «) — а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году — «учитывая очевидную невозможность его создания».
Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе — как если бы между ними был какой-то непонятный связь, — хотя наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.
Телепортация — реальность. Как это работает?
Всем известно, что разбить любой предмет значительно проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток — дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который говорит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, движется от порядка к хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое положение физики называют «тепловая смерть».
Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он тратит энергию, поэтому рано или поздно колебания угасают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякого подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться) бесконечно.
Правда, инженер Google и ведущий автор работы Сяо мы рассказал ВВС, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристалл не годится.
«Хотя кристалл действительно демонстрирует» вечное движение «, это движение не производит энергии», — объясняет он.
«На самом деле свидетельство вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, — продолжает физик. — Например, в сверхпроводниках. По каким электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где так же без всякого сопротивления перемещаются атомы гелия. Хотя ни там, ни там пространственная симметрия не нарушена — а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают «.
По теории относительности, где время и пространство находятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, если уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрии относительно сдвига во времени.
«Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять:» тепловой смерти «можно избежать путем так называемой багаточасты ннои локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется «, — говорит Сяо Ми.
Зачем все это?
Теоретическая физика не относится к прикладным наукам — а значит, в ближайшее время невероятное открытие вряд ли найдет достойное применение на практике.
Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шума (т.е. любых воздействий извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.
Еще одна популярная версия заключается в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.
Однако пока любые версии применения темпоральных кристаллов на практике — не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия. Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.
«Кристаллы времени — явление столь удивительное, что заслуживает изучения просто так, без всякой практической цели, — уверяет он. — Ведь нам так мало известно о состояния, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия «.
Хотите получать главные новости в мессенджер? Подписывайтесь на наш
По материалам BBC
