Кристали часу звучать як щось із наукової фантастики, але насправді це цілком реальні фізичні системи, які вже близько десяти років вивчають науковці. Їхня головна особливість у тому, що вони не «застигають» у стабільному стані, як звичайні кристали, а постійно рухаються — коливаються у часі з чітким і повторюваним ритмом. Ніби мають власний внутрішній годинник.
Хоча практичного застосування таких структур поки що немає, фізики вважають їх надзвичайно перспективними — зокрема для квантових комп’ютерів, зберігання даних і вивчення складних динамічних систем. А тепер дослідники з Нью-Йоркського університету зробили ще один крок уперед, відкривши зовсім новий тип кристала часу — звуковий і… левітуючий.
Кристал, який тримається в повітрі
Нове відкриття виглядає вражаюче навіть без складного обладнання. Йдеться про звичайні пінопластові кульки — такі самі, як у пакувальних матеріалах. Їх помістили в акустичне поле, створене спеціальним пристроєм, який генерує стоячі звукові хвилі. Ці хвилі діють на об’єкти так само, як хвилі на воді — на листок або тріску, — і здатні утримувати їх у повітрі, долаючи силу тяжіння.
У результаті кульки буквально висять у повітрі на «подушці зі звуку». Але найцікавіше починається тоді, коли вони починають взаємодіяти між собою.
Порушення класичної фізики
У звичайному світі діє третій закон Ньютона: кожна дія має рівну й протилежну протидію. Якщо один об’єкт штовхає інший, той штовхає його назад із такою ж силою. Але у випадку з цими левітуючими кульками все інакше.
Кульки взаємодіють не через прямий контакт, а за допомогою розсіяних звукових хвиль. Великі кульки розсіюють більше звуку, ніж малі, тому впливають на них сильніше. У результаті взаємодія стає нерівною — одна кулька «штовхає» іншу сильніше, ніж отримує у відповідь.
Такі нерівні, або нерецепрокні, взаємодії дозволяють системі поводитися дуже незвично. Кульки починають самі по собі коливатися — рухатися вперед і назад у чітко визначеному ритмі, не втрачаючи енергії. Саме це й робить систему кристалом часу.
Простота, яка дивує
За словами керівника дослідження, професора фізики Девіда Грієра, найбільше в цій системі вражає її простота. Кристали часу часто асоціюються зі складними квантовими установками, наднизькими температурами й екзотичними матеріалами. А тут — пристрій заввишки близько 30 сантиметрів, який можна тримати в руках, і кульки, видимі неозброєним оком.
Це відкриття не лише розширює уявлення про те, якими можуть бути кристали часу, а й робить їх значно «ближчими» до реального світу.
Не лише про фізику
Цікаво, що такі нерівні взаємодії трапляються не тільки у фізичних системах. Подібним чином працюють і деякі біохімічні процеси в нашому організмі — зокрема ті, що лежать в основі циркадних ритмів, або біологічного годинника. Саме тому нові результати можуть допомогти краще зрозуміти, як організм підтримує внутрішній ритм і чому він іноді збивається.
Крок у майбутнє
Левітуючі звукові кристали часу поки що не готові змінити технології вже завтра. Але вони показують, що складні й «екзотичні» явища можуть виникати у простих системах, якщо створити правильні умови. А це означає, що в майбутньому кристали часу можуть вийти за межі лабораторій і стати основою нових пристроїв — від обчислювальних систем до сенсорів і матеріалів із незвичайними властивостями.
І хто знає — можливо, колись такі «тихі годинники з кульок і звуку» стануть так само звичними, як кварцові резонатори сьогодні. Джерело