Уявіть систему, яка рухається вічно — не через зовнішній поштовх, а завдяки власній внутрішній динаміці. Саме так працюють кристали часу — дивовижні фізичні структури, що ритмічно «тикають», повторюючи рух знову і знову. Тепер дослідники з New York University відкрили їх нову форму — акустичний кристал часу, який буквально ширяє в повітрі на звукових хвилях.
І найцікавіше — його поведінка суперечить одному з базових принципів класичної фізики.
Що таке кристал часу
Кристали часу вперше були передбачені теоретично близько десяти років тому, а згодом підтверджені експериментально. На відміну від звичайних кристалів, які мають просторову впорядкованість (наприклад, сіль чи алмаз), кристали часу демонструють впорядкованість у часі — їхні частинки постійно коливаються з фіксованим періодом.
Поки що такі системи не мають комерційного застосування, але вчені розглядають їх як перспективні для квантових обчислень та нових методів зберігання даних.
Кристал, який видно неозброєним оком
Новий різновид кристала часу описаний у журналі Physical Review Letters. Його особливість у тому, що він не квантовий і не мікроскопічний — його можна побачити без спеціального обладнання.
Система складається з маленьких кульок зі спіненого полістиролу, схожих на пакувальні гранули. Вони утримуються в повітрі за допомогою звукових хвиль, що створюють так звану стоячу хвилю — акустичний «левітатор». Звук у цьому випадку виконує роль сили, яка протидіє гравітації.
«Звукові хвилі можуть тиснути на об’єкти так само, як хвилі на воді штовхають листок», — пояснюють дослідники.
Порушення третього закону Ньютона
Після того як кульки починають зависати в повітрі, вони взаємодіють одна з одною, розсіюючи звукові хвилі. І саме тут починається фізична інтрига. Згідно з третім законом Ньютона, кожна дія має рівну і протилежну протидію. Але в цій системі взаємодія частинок не є симетричною.
Більші кульки розсіюють більше звуку, ніж менші. У результаті велика частинка впливає на малу сильніше, ніж мала — на велику. Така асиметрія називається нерецепрокною взаємодією.
Через цю нерівність сили не компенсуються, як це мало б бути у класичній механіці. І тоді система починає коливатися сама по собі, встановлюючи стабільний ритм. Саме цей ритм і формує новий кристал часу — видимий і довготривалий.
Чому це важливо
За словами керівника дослідження Девіда Ґріра, система вражає своєю простотою. На відміну від багатьох квантових експериментів, тут не потрібно складних умов — усе відбувається в пристрої розміром приблизно 30 сантиметрів.
Окрім потенційних технологічних застосувань, відкриття може мати й біологічні наслідки. Деякі біохімічні процеси в організмі — зокрема ті, що пов’язані з циркадними ритмами або травленням — також ґрунтуються на нерецепрокних взаємодіях. Тож нова система може допомогти краще зрозуміти механізми внутрішнього «біологічного годинника».
Новий погляд на фундаментальні закони
Хоча третій закон Ньютона залишається справедливим у класичних замкнених системах, цей експеримент демонструє, що в складніших умовах — зокрема в активних або відкритих середовищах — можливі нестандартні сценарії.
Акустичний кристал часу показує: навіть добре відомі фізичні принципи можуть поводитися неочікувано, якщо змінити умови гри. І, можливо, саме в таких «порушеннях» приховані ключі до нових технологій майбутнього.