Физики предполагают существование жидкости, способной течь во времени

Фото из открытых источников

Кубик льда в том виде, в котором мы его обычно знаем, представляет собой кристалл, молекулы воды в котором аккуратно расположены в упорядоченной гексагональной решетке.

При плавлении этот порядок исчезает, дальнедистанционное кристаллическое расположение уступает место хаосу жидкости. Однако даже в этом кажущемся беспорядке молекулы сохраняют некоторое подобие структуры, взаимодействуя со своими непосредственными соседями.

Это пространственное расположение. Но что, если нечто подобное может произойти с кристаллом, структура которого существует не только в пространстве, но и во времени?

Если бы явление, известное как временной кристалл, могло таять подобно кубику льда, это могло бы привести к состоянию материи, известному как временная жидкость, — состоянию, которое сохраняет ближний временной порядок, даже когда его дальняя когерентность разрушается.

Если это будет доказано экспериментально, временная жидкость может предложить физикам новый способ исследования того, как материя реагирует на флуктуации в окружающей среде, и как порядок может возникнуть из того, что должно быть беспорядком, даже когда обычные правила, управляющие временными кристаллами, больше не действуют.

«Наиболее поразительным аспектом дискретных временных жидкостей, как квантовых, так и классических, является идея о том, что дискретный временной кристалл с конечной плотностью топологических временных дефектов может в среднем восстанавливать симметрию временного сдвига», — пишут физики во главе с Цзо Ваном и Мариосом Х. Михаэлем из Института физики сложных систем им. Макса Планка в Германии.

Результаты их исследований, еще не прошедшие рецензирование, были загружены на сервер препринтов arXiv.

Временные кристаллы — одно из самых захватывающих явлений в современной физике.

Представьте себе кубик льда — если бы вы могли уменьшить его до молекулярного масштаба и посмотреть на него, его кристаллическая решетка напоминала бы шестиугольную детскую площадку, причем узор повторялся бы в трехмерном пространстве.

Кристалл времени развивает эту идею дальше – вместо простого повторения узора в пространстве, он повторяет узор поведения во времени.

В своей работе исследователи опирались на принципы работы дискретного временного кристалла.

В дискретном кристалле повторяющийся рисунок — это не просто обычные колебания атомов; он возбуждается внешним источником, например лазером, но тикает в ритме, отличном от обычного. Представьте, что на каждые два колебания источника приходится одно биение кристалла.

Этот кристаллический ритм действительно очень устойчив – его нелегко нарушить даже незначительными возмущениями.

Но что происходит, когда сама движущая сила нестабильна? Когда вместо равномерного ритма кристалл подвергается непредсказуемым колебаниям?

Именно это и хотели исследовать Ван и его коллеги, и здесь возникнут некоторые концептуальные сложности, поэтому проявите терпение.

Исследователи разработали теоретическую модель, состоящую из двумерной решетки взаимодействующих спинов — представьте себе лист бумаги с аккуратной сеткой крошечных магнитных стрелок, похожих на стрелки компаса.

Эта решетка была связана с электромагнитной полостью. Представьте, что вы помещаете лист со стрелками в полую камеру, подобную колоколу, содержащую электромагнитное поле.

Теперь представьте, что вместо того, чтобы ударять по колоколу молотком, вы его нагреваете. Случайные тепловые флуктуации вызывают колебания электромагнитного поля, и эти колебания влияют на стрелки, заставляя их поворачиваться и взаимодействовать со своими соседями.

Поскольку полость имеет собственную резонансную частоту, колебания создают приблизительный ритм, даже несмотря на то, что никто намеренно не отсчитывает время.

Лист стрелок представляет собой систему, способную демонстрировать времякристаллическое поведение. Движущей силой этого явления является флуктуирующее электромагнитное поле.

И когда исследователи провели моделирование, обнаружилось нечто удивительное. При определенных условиях спины начали вращаться с частотой, равной половине частоты резонатора, хотя вызывающие их флуктуации были отнюдь не регулярными.

Но это был не обычный дискретный временной кристалл.

Хотя вращения в целом сохраняли свой характерный ритм, иногда они сбивались с ритма, переключаясь между двумя эквивалентными вариантами повторяющегося рисунка.

Исследователи называют эти прерывания временными солитонами — дефектами во временном порядке, которые нарушают долговременную когерентность, не разрушая при этом лежащий в основе ритм.

Мы собрали целую воображаемую лабораторию, но потерпите еще немного. Мы почти добрались до жидкости. Вот тут мы и возвращаемся к нашему тающему кубику льда.

Подобно тому, как жидкая вода сохраняет некоторую локальную структуру даже после разрушения дальнего порядка ее кристаллической решетки, моделируемые спины сохраняли ближний временной порядок даже при исчезновении дальнедействующей когерентности.

Исследователи назвали это состояние дискретной жидкостью во времени.

И вот ещё один странный поворот: тепловые флуктуации не просто нарушали вращение. Они отвечали за формирование его упорядоченной структуры.

При низких температурах флуктуации были слишком слабыми, чтобы создать характерный повторяющийся узор. При средних температурах спины вошли в свой ритм. А при высоких температурах флуктуации стали настолько сильными, что порядок полностью нарушился. Это как каша из сказки о Златовласке, которая делает нашу странную лабораторию еще более захламленной.

Это означает, что добавление тепла действительно может создать порядок – но только до определённого момента.

Так зачем кому-то понадобилось бы готовить физический эквивалент каши, подаваемой в раскаленном докрасна колоколе и приправленной стрелками компаса и кубиками льда?

Одна из причин связана с так называемой симметрией сдвига во времени — принципом, согласно которому законы физики работают одинаково независимо от того, когда вы их наблюдаете, даже если явления, которые эти законы описывают, ведут себя по-разному с течением времени.

Временной кристалл нарушает эту симметрию, устанавливая повторяющийся узор, который отличает отдельные моменты от других.

Однако в моделируемой временной динамике периодические переключения между различными вариантами ритма приводят к тому, что в среднем эти различия могут исчезнуть. Система сохраняет локальный временной порядок, не поддерживая при этом один согласованный паттерн бесконечно.

Это позволяет предположить, что временная жидкость может существовать даже в состоянии теплового равновесия, в котором образование обычных временных кристаллов не ожидается.

Пока все это остается чисто теоретическим. Исследователям еще предстоит экспериментально реализовать эту причудливую смесь, хотя они и обозначили некоторые возможности и потенциальные ограничения.

Когда впервые была предложена концепция временного кристалла, многие физики считали её невозможной, поэтому мы ещё можем увидеть временную жидкость.

И если мы это сделаем, это откроет нечто новое о странной взаимосвязи между порядком и хаосом.