Кристаллы времени - недостающее звено квантовой механики
Автор: Administrator   
07.05.2013 10:24

При образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве, но и во времени.

 

В феврале 2012 года нобелевский лауреат, физик Франк Вилчек (профессор, известный разработкой экзотических теорий, которые впоследствии вошли в основное русло, к примеру, существование частиц под названием аксионы и анионы, а также обнаруженное свойство ядерных сил, известное как асимптотическая свобода - за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 2004 году), решил выйти на публику со странным и, как ему показалось, слегка неуклюжим 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.

Идея родилась у Вилчека, когда он готовил лекцию в 2010 году: «Я думал о классификации кристаллов, а потом меня осенило, что можно подумать о пространстве-времени с этой точки зрения. И поскольку вы думаете о кристаллах в пространстве, вполне естественно думать о том, как ведут себя кристаллические формы во времени».

Когда материя кристаллизуется, ее атомы спонтанно выстраиваются в ряды, колонки и стопки трехмерной решетки. Атом занимает свою позицию в решетке, но баланс сил между атомами мешает им набиться в пространстве. Поскольку у атомов есть дискретный, а не непрерывный выбор мест, где появиться, кристаллы ломают пространственную симметрию природы — обычное правило того, что все места в пространстве эквивалентны. Но как насчет временной симметрии природы — правило того, что стабильные объекты остаются неизменными во времени?

Вилчек обдумывал это в течение нескольких месяцев. В конце концов, 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.

«Для физика будет абсолютным безумием думать об основном состоянии как о зависящем от времени», — говорит Хартмут Хаффнер, квантовый физик из Калтеха. — «Из определения основного состояния следует, что его энергия равна нулю. Но если состояние зависит от времени, это подразумевает, что либо энергия изменяется, либо что-то еще. Что-то, что движется по кругу».

 

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

С тех пор только один критик — Патрик Бруно, физик-теоретик из Европейского фонда синхротронного излучения во Франции — выразил несогласие в научном виде. 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.

Международная группа ученых во главе с учеными Беркли готовит сложный эксперимент в лаборатории, 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.


В теории общей относительности Эйнштейна измерения пространства и времени сплетаются воедино — пространство-время. Но в квантовой механике, которая отвечает за взаимодействие веществ на субатомном уровне, время представлено иначе — «тревожной, эстетически неприятной», по словам Закржевского.

Различные понятия о времени могут быть одной из причин несовместимости общей теории относительности и квантовой механики. По крайней мере один из этих двух элементов должен быть изменен, чтобы стало возможным создание всеобъемлющей теории квантовой гравитации. Это одна из основных целей теоретической физики. 

Если кристаллы времени могут нарушать симметрию времени таким же образом, как обычные кристаллы разрывают пространственную симметрию, «это будет говорить о том, что в природе эти две величины, похоже, обладают симметричными свойствами, а значит должны однозначно отражаться в теории. Значит, квантовая механика является несовершенной, и квантовым физикам придется рассматривать время и пространство как две нити одной ткани.

Команда Беркли будет пытаться построить кристаллы времени путем введения сотни ионов кальция в небольшую камеру, окруженную электродами. Электрическое поле загонит ионы в ловушку толщиной 100 микронов, примерно с человеческий волос. После ученым придется откалибровать электроды, чтобы выровнять поле. Поскольку заряды отталкиваются, ионы распределятся равномерно по внешнему краю ловушки, образовав кристаллическое кольцо.

Сначала ионы будут вибрировать в возбужденном состоянии, но диодные лазеры, вроде тех, что используются в DVD-проигрывателях, будут урезать их кинетическую энергию. По расчетам группы, ионное кольцо достигнет основного состояния, когда лазеры охладят ионы до одной миллиардной градуса выше абсолютного нуля. Такая температура долгое время была недостижима из-за нагревания электродов в ловушке, но в сентябре появилась революционная технология, которая в сто крат снизит тепловой фон ловушки. Это именно тот фактор, который нужен исследователям.

Затем исследователи включат статическое магнитное поле в ловушке, которое, если верить теории, заставит ионы вращаться (причем до бесконечности). Если все пойдет по плану, ионы вернутся к исходной точке спустя определенный интервал времени, образовав регулярно повторяющуюся во времени решетку и нарушив временную симметрию.

Чтобы увидеть вращение кольца, ученые тронут один из ионов с помощью лазера, эффективно поставив его в другое электронное состояние, отличное от других 99 ионов. Избранный ион будет оставаться ярким и показывать свое новое местоположение, в то время как другие будут затемняться вторым лазером.

Если яркий ион будет обращаться с постоянной скоростью, ученые впервые продемонстрируют, что трансляционная симметрия времени может быть нарушена.

 

По материалу hi-news.ru

Обновлено 07.05.2013 11:34
 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

Поисковый анализ сайта

Мифологическая энциклопедия монстров, духов и богов со всего мираКаталог сайтов Всего.RUТаинственное, неведомое, загадочное Орден Пути

Рейтинг@Mail.ru