Ученые обнаружили кристаллы времени, нарушающие третий закон движения Ньютона

Фото из открытых источников

Группа физиков из Нью-Йоркского университета экспериментально наблюдала новую и радикальную форму кристалла времени — экзотическое состояние материи, компоненты которого, макроскопические частицы, видимые невооруженным глазом, левитируют на звуковой подушке и взаимодействуют друг с другом, обмениваясь этими же волнами, нарушая при этом фундаментальный закон классической механики: третий закон движения Исаака Ньютона.

Это открытие, описанное в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, расширяет семейство этих интригующих и необычных физических систем и демонстрирует их реализацию в системе поразительной простоты — устройстве высотой всего тридцать сантиметров, которое помещается на ладони, открывая неожиданные перспективы для изучения нереципрокных явлений с последствиями, варьирующимися от квантовых технологий до понимания циркадных ритмов.

Кристаллы времени — совокупность частиц, которые «отмеряют время», двигаясь в повторяющихся и регулярных циклах, — были теоретически предсказаны и впоследствии обнаружены примерно десять лет назад. Хотя ученые еще не создали коммерческих или промышленных применений для этой интригующей формы материи, эти кристаллы обладают огромным потенциалом для развития квантовых вычислений и хранения данных, среди прочих применений.

За прошедшие годы были обнаружены или созданы различные типы кристаллов времени, чьи переменные свойства открывают широкий спектр потенциальных применений. Наблюдение, сделанное командой Нью-Йоркского университета под руководством профессора физики Дэвида Гриера, директора университетского Центра исследований мягкой материи, представляет собой вариант, механизм работы которого бросает вызов классической интуиции.

Обнаруженный кристалл времени состоит из полистироловых шариков, подобных тем, которые используются в упаковке, подвешенных в воздухе звуковыми волнами, которые действуют как «акустический левитатор», первоначально удерживая их неподвижно в фиксированной точке пространства.

Звуковые волны оказывают воздействие на частицы подобно тому, как волны на поверхности пруда могут оказывать воздействие на плавающий лист, объясняет Миа Моррелл, аспирантка Нью-Йоркского университета и соавтор исследования. Мы можем левитировать объекты против силы тяжести, погружая их в звуковое поле, называемое стоячей волной. Экспериментальное устройство состоит из 3D-печатной рамы высотой пятнадцать сантиметров, на которой установлены круглые динамики, генерирующие точное акустическое поле.

Уникальность системы проявляется, когда эти левитирующие частицы начинают взаимодействовать. Это взаимодействие происходит не посредством прямого физического контакта, а посредством обмена звуковыми волнами, которые они сами рассеивают, находясь в акустическом поле. Здесь кроется ключ к нарушению закона Ньютона. Третий закон Ньютона постулирует, что для каждого действия одного объекта на другой существует равное и противоположное противодействие, то есть силы всегда возникают в сбалансированных парах, равных по величине и противоположных по направлению. Однако в системе Нью-Йоркского университета волновое взаимодействие по своей сути неравномерно и не является взаимным. Механизм заключается в следующем: более крупная частица рассеивает больше звуковой энергии, чем меньшая. Следовательно, когда две частицы разного размера взаимодействуют через акустическое поле, большая частица воздействует на меньшую с большей силой, чем малая частица оказывает на большую. Сила взаимодействия не образует сбалансированной пары. Представьте себе два парома разного размера, приближающихся к причалу, — предлагает Моррелл для иллюстрации этой концепции. Каждый из них генерирует волны в воде, которые толкают другой, но в разной степени, в зависимости от их размера. Эта асимметрия нарушает принцип взаимности, требуемый Ньютоном.

Освободившись от ограничения сбалансированных пар сил действия и противодействия, левитирующие бусины приобретают способность двигаться спонтанно и скоординированно, колеблясь в воздухе и отмечая точный и повторяющийся временной ритм, определяющую характеристику временного кристалла. Этот ритм, это «тик-так» системы, является прямым следствием динамического баланса между нереципрокными силами, испытываемыми частицами. Наша система примечательна своей невероятной простотой, — утверждает профессор Гриер, ведущий автор статьи. Временные кристаллы увлекательны благодаря открывающимся возможностям, а также своей экзотичности и сложности. Здесь мы наблюдали один такой кристалл, который можно увидеть, и прибор которого можно подержать в руках.

Последствия этой работы выходят за рамки достижений в фундаментальной физике материи. Четко продемонстрировав и выделив нереципрокные взаимодействия в контролируемой и макроскопической модельной системе, исследование предоставляет мощный аналоговый инструмент для изучения подобных явлений в других областях науки. В частности, исследование предлагает новые перспективы для понимания наших внутренних биологических часов, или циркадных ритмов.

Это связано с тем, что, подобно недавно обнаруженному временному кристаллу, некоторые биохимические сети, регулирующие процессы в организме, включая процесс расщепления пищи, также демонстрируют нереципрокные взаимодействия, где влияние одного элемента на другой не является обратным.

Таким образом, наблюдение этого акустического и нереципрокного временного кристалла представляет собой точку сближения между физикой конденсированных сред, сложной гидродинамикой и системной биологией. Оно расширяет каталог свойств и механизмов реализации временных кристаллов, подтверждая их потенциал в качестве платформ для разработки прецизионных технологий, таких как датчики или компоненты для надежной квантовой памяти, где периодическая временная стабильность является ценным ресурсом.

Все это продемонстрировано на настольной установке, где частицы пены, захваченные едва слышимым звуком, танцуют в ритме физики, которую Ньютон не мог предвидеть.