Физики экспериментально докажут возможность вечного движения

«Кристаллы времени» способны перевернуть теоретическую физику

В начале 2012 года нобелевский лауреат (2004), физик Фрэнк Вилчек, осмелился выйти на публику с весьма странным предположением. Вилчек разработал и развил доказательство существования «кристаллов времени» — физических структур, которые движутся по одной и той же схеме, как минута в часах, не затрачивая энергию и не останавливаясь никогда. В отличие от часов и любых других известных нам объектов, кристаллы времени получают энергию для движения не из хранилища, а из разлома в симметрии времени, который представляет собой особую форму вечного движения

Идею профессора Массачусетского технологического института физики встретили настороженно: ведь он заговорил о вечном движении, которое считается невозможным из-за фундаментальных законов физики. Благо современный технологический прогресс делает возможным проверку такой экстравагантной идеи.

Физики планируют построить кристаллы времени, даже не затем, что они будут генерировать бесконечное количество энергии (и тем самым станут вечным двигателем, который безуспешно пытались создать тысячи лет), а затем, что находка может рассказать о том, что такое время на самом деле.

Когда материя кристаллизуется, ее атомы спонтанно выстраиваются в ряды, колонки и стопки трехмерной решетки. Атомы занимают точно определённые позиции в решетке, так как баланс сил между ними мешает им занимать в пространстве другие промежуточные положения. Поскольку у атомов есть дискретный, а не непрерывный выбор мест, где появиться, кристаллы ломают пространственную симметрию природы — однородность пространства, то есть эквивалентность всех точек пространства. Как же насчет временной симметрии природы — правило того, что стабильные объекты остаются неизменными во времени?

Вилчек думал над этим нескольких месяцев. Его уравнения показали, что атомы действительно могут образовывать постоянно повторяющуюся решетку во времени, возвращаясь в исходное положение спустя дискретный (а не непрерывный) интервал, тем самым нарушая временную симметрию. Без потребления или производства энергии временные кристаллы будут стабильными, то есть находиться в «основном состоянии», как говорят физики, несмотря на циклические изменения в структуре, что с точки зрения физики можно определить как вечное движение.

Но как что-либо может двигаться вечно, не затрачивая энергию? Звучит невероятно, так как противоречит стандартным законам физики. Но исследования Вилчека по квантовым и классическим кристаллам времени прошли проверку экспертов и были опубликованы в авторитетном “Physical Review Letters” (PRL) осенью 2012 года.

Вилчек не утверждает, что знает, могут ли объекты, нарушающие симметрию времени, существовать в природе, но он попытается в рамках эксперимента сделать хотя бы один из них.

В июне группа физиков под руководством Сян Чжана, наноинженера из Беркли, и Тонгчанга Ли, физика из группы Чжана, предложила создать кристаллы времени в форме постоянно вращающихся колец заряженных атомов или ионов. Ли уверял, что он думал об этом еще до того, как прочитал мысли Вилчека. Его статья была опубликована вместе с вилчековской в одном и том же журнале.

С тех пор лишь Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского фонда синхротронного излучения во Франции выразил несогласие. Бруно считает, что Вилчек и его коллеги ошибочно отождествляют времязависимое поведение объектов с возбужденным энергетическим состоянием, а не основным. Нет ничего удивительного в объектах с избыточным энергетическим движением в цикле с замедлением движения по мере рассеяния энергии. Чтобы стать кристаллом времени, объект должен обладать вечным движением в основном состоянии.

Замечания Бруно и реакция Вилчека появились в журнале PRL в марте 2013 года. Бруно продемонстрировал, что низкоэнергетическое состояние возможно в системе, предложенной Вилчеком, как гипотетический пример квантового кристалла времени. Вилчек ответил, что хотя приведенный пример не является кристаллом времени, он не думает, что эта ошибка «ставит под вопрос основные понятия».

В настоящее время международная группа исследователей во главе с учеными Беркли готовит сложный эксперимент в лаборатории, сообщает hi-news.ru. Однако он может быть проведен в период «от трех лет до бесконечности», прежде чем придет к логичному завершению. Все зависит от непредвиденных технических трудностей или финансирования. Есть надежда, что кристаллы времени выведут физику за пределы точной, но пока несовершенной квантовой механики, и проложат путь к более великой теории.

И если все сложится удачно, то своими опытами ученые впервые продемонстрируют, что трансляционная симметрия времени может быть нарушена. «Это на самом деле перевернет наши представления», — уверен Тонгчанг Ли.

Справка

Фрэнк Вильчек внёс вклад в исследование аксионов, энионов, асимптотической свободы, фаз цветовой сверхпроводимости кваркового вещества и других аспектов квантовой теории поля. Он работал над необычайно широким кругом вопросов — от физики конденсированных сред и астрофизики до физики элементарных частиц. Его интересы включают: «чистую» физику элементарных частиц: связь между теоретическими идеями и наблюдаемыми явлениями; поведение вещества: сверхвысокие температуры, плотности и фазовые структуры; применение физики элементарных частиц в космологии; применение приёмов теории поля в физике конденсированных сред; квантовую теорию чёрных дыр. Википедия