Ученые впервые наблюдали, как время течет в двух направлениях внутри стекла

Фото из открытых источников

В Институте физики конденсированного состояния при Техническом университете Дармштадта группа исследователей совершила подвиг, который до сих пор оставался за пределами экспериментальной досягаемости: они измерили внутреннее тиканье материалов — скрытый ритм, который управляет старением стекла и других аморфных твердых тел.

Под руководством Тилля Бёмера и Томаса Блоховича группа впервые наблюдала поведение так называемого «материального времени» – концепции, сформулированной более пятидесяти лет назад, но ранее не подтверждённой эмпирическими данными. Исследование, проведённое совместно с учёными из Университета Роскилле (Дания), опубликовано в журнале Nature Physics.

Чтобы оценить масштаб этого прорыва, необходимо на мгновение отойти от распространённого представления о времени как о чём-то линейном, единообразном и необратимом. В повседневной жизни время течёт только в одном направлении: стакан, упавший на пол, разбивается, но никогда не собирается обратно. Этот принцип, известный как необратимость, подтверждается вторым законом термодинамики, который гласит, что беспорядок — или энтропия — системы всегда имеет тенденцию к увеличению.

Однако с точки зрения физических уравнений, описывающих движение, ничто не препятствует обратным процессам во времени: маятник, колеблющийся в вакууме, ведёт себя одинаково как при обычном наблюдении, так и при обратном воспроизведении. Необратимость возникает не из этих фундаментальных законов, а из статистических и энергетических условий систем.

До сих пор предполагалось, что старение материалов — явно необратимый процесс, подобно разрушению стекла. Но эксперимент в Дармштадте выявил неожиданный нюанс: старение, наблюдаемое с точки зрения внутреннего времени материала, может быть не столь однонаправленным, как кажется. В частности, молекулярные движения в стекле демонстрируют удивительную временную симметрию относительно этих внутренних «часов».

Стекло и пластик – это неупорядоченные материалы, состоящие из запутанной сети молекул, находящихся в постоянном движении. Хотя невооружённому глазу они кажутся статичными, их частицы скользят, вращаются и непрерывно перестраиваются в поисках более стабильных энергетических состояний. Эта внутренняя перестройка структуры приводит к старению материала, которое постепенно меняет его свойства с течением времени. В случае оконного стекла эти изменения могут стать заметными только через миллиарды лет.

Для описания этого явления физики десятилетиями использовали концепцию «материального времени» – субъективную меру течения времени с точки зрения самого материала, которая не обязательно совпадает с традиционным временем, отсчитываемым лабораторными часами. В этой концепции время течёт не с постоянной скоростью, а его ритм зависит от скорости перестройки молекул материала. Однако до сих пор никому не удавалось непосредственно наблюдать это молекулярное тиканье.

Экспериментальная задача была колоссальной, признаёт Тилль Бёмер. Чтобы зафиксировать мельчайшие флуктуации молекулярного движения, команда использовала сверхчувствительные видеокамеры, способные регистрировать изменения в рассеянии света, вызванные лазером, направленным на образец стекла. Молекулы внутри материала рассеивают свет в разных направлениях, создавая хаотичный рисунок из ярких и тёмных точек на сенсоре камеры. Статистически анализируя эти рисунки с течением времени, учёные могут определить, как меняются молекулярные флуктуации, и таким образом рассчитать скорость, с которой «тикают» внутренние часы стекла.

Это не означает, что старение материалов можно обратить вспять. Как подчёркивает Бёмер, это открытие не противоречит необратимости старения, а скорее вписывает её в более точный контекст. Необратимость заключена в собственном времени материала: её развитие отмечает внутреннюю трансформацию стекла, в то время как другие флуктуации, происходящие в связи с этим временем, не оказывают прямого влияния на старение. Как будто течение времени отражается в скорости движения автомобиля, а дети, играющие на заднем сиденье, не влияют на его движение.

Другими словами, внутренние часы стекла не могут идти вспять, но всё, что происходит внутри материала относительно этих часов, действительно может быть обратимо. Это различие позволяет отделить существенный аспект старения — тиканье материала — от второстепенного — внутренних колебаний, не изменяющих его общего состояния.

Группа из Дармштадта не ограничилась одним образцом. Они повторили свои эксперименты с пластиковыми материалами и провели компьютерное моделирование на модельных материалах. Во всех случаях результаты оказались согласующимися: наблюдаемая обратимость по отношению к материальному времени, по-видимому, является общей характеристикой неупорядоченных материалов. Это открывает путь к новому пониманию внутренней динамики этих систем и позволяет пересмотреть некоторые традиционные предположения о необратимости в физике материалов.

Несмотря на экспериментальный успех, неотвеченных вопросов больше, чем определённости. Томас Блохович признаёт, что это оставляет нас перед горой вопросов. Один из самых важных связан с самим происхождением наблюдаемой обратимости: в какой степени она отражает фундаментальные законы физики, а в какой — является эмерджентным свойством неупорядоченных систем? Также предстоит определить, имеет ли каждый материал свой собственный «такт», и как можно сравнивать эти внутренние часы в разных веществах.