22.11.2019
Петербургским физикам удалось доказать, что невозможное возможно. Ученые Университета ИТМО описали истинные кристаллы времени. Вопрос о возможности их существования ставил ранее нобелевский лауреат по физике 2004 года Фрэнк Вильчек. Но затем ученые неоднократно публиковали работы, где доказывалась невозможность построения системы, в которой бы они существовали. Статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Вопрос об истинных кристаллах времени вытекает из теории относительности Эйнштейна. Фрэнк Вильчек поставил перед учеными фундаментальный вопрос — могут ли существовать структуры, которые нарушают трансляционную симметрию во времени? Он назвал их «квантовыми кристаллами времени».
В физике понятие «кристалл» отличается от привычного значения этого слова. Для ученых кристалл – твердое тело, имеющее кристаллическую решетку. Атомы и молекулы в жидких и газообразных телах, не имеющих кристаллической решетки, можно сместить на любое расстояние, и система перейдет сама в себя, то есть останется неизменной. Это называется трансляционной симметрией. Кристаллы ведут себя иначе – их атомы нельзя подвинуть на расстояние чуть меньшее, чем расстояние, которое в нормальном состоянии разделяет два атома, иначе структура не совместится сама с собой. Это называется нарушением трансляционной симметрии.
Согласно теории относительности Эйнштейна пространство и время прочно увязаны между собой и могут использоваться в физических теориях относительно равноправно. Следовательно, если существуют тела, нарушающие трансляционную симметрию в пространстве, то должны существовать такие же структуры, которые бы нарушали ее и во времени.
«Идея, которую предложил Вильчек, не была жестко оформлена, — поясняет соавтор исследования, аспирант Университета ИТМО Валерий Козин, – два японских ученых эту идею формализовали, проанализировали и пришли к выводу, что таких объектов в принципе не может быть в реалистичных системах, где взаимодействия между атомами происходят на достаточно коротких расстояниях. То есть два атома, находящиеся рядом, взаимодействуют, а два атома, находящиеся далеко, даже не «чувствуют» друг друга».
В 2014 году был предложен компромисс – группа ученых заморозила систему атомов до температуры близкой к абсолютному нулю и начала раз в наносекунду (условно) менять магнитное поле, которое воздействует на нее. По идее намагниченность пойманных атомов должна была меняться раз в наносекунду. Однако ученым этот принцип удалось «сломать»: вектор намагниченности системы менялся не раз в наносекунду, а раз в две наносекунды. Это было названо дискретными кристаллами времени. Но это не решило главный вопрос – возможны ли истинные кристаллы времени, меняющие корреляцию намагниченности не под действием внешних сил в определяемый воздействием промежуток времени, а сами по себе.
Ученые из Университета ИТМО решили проверить, действительно ли невозможно даже теоретически представить истинный кристалл времени.
«Мы предложили такую систему, которая нарушает трансляционную симметрию во времени за счет нелокальных взаимодействий, – поясняет Козин, – мы рассмотрели такую систему, в которой один кусочек может напрямую влиять на очень отдаленные ее кусочки. То есть атомы в системе влияли не только на соседние, но и на все атомы в системе разом, в привычном мире такого быть не может, но ученые уже создавали системы, где такие взаимодействия работают».
В этих условиях материал в теории может иметь кристаллическую решетку и периодически менять свои свойства, к примеру, намагниченность, спонтанно нарушая трансляционную симметрию во времени. Таким образом, идею нобелевского лауреата удалось подтвердить, хотя ранее считалось, что это невозможно.
Нет комментариев