Просвещението
Случвало ли ви се е да получите подобен голям шанс, че концепцията, която одеве се появила на върха на писалката по-късно да се реализира или да се удостовери пробно. Най-известният образец от този тип е позитронът, първата античастица. Пол Дирак предсказва съществуването на позитрона през 1930 година получава и разказва такава античастица, за което през 1932 година той получава Нобелова премия по физика.
Съвсем неотдавна сходна история се била случила и с Франк Уилчек, който през 2012 година се замислил върху съществуването на времевите кристали.
Франк Вилчек (роден през 1951 г.) е един от най-великите физици на нашето време, който остава освен „ жив “, само че и интензивно работи, откакто спечелил справедливо Нобелова премия „ за откриването на асимптотичната независимост в теорията на мощните взаимоотношения “(през 2004 година, взаимно с Дейвид Грос и Дейвид Полицър). Уилчек продължава да преподава теоретична физика, като в този момент това го прави в Масачузетския софтуерен институт. Освен това той е и директен подстрекател и куратор на обявата „ Фина физика “ на съветски език през 2018 година Гъвкавостта на мозъка и отвореността на Уилчек е поразителна. Именно той излезе с концепцията за „ кристалите на времето “, изразена от него през 2012 година През 2016 година било доказано съществуването на такава материя или по-скоро такова положение на материята.
Какво е кристал и какво е симетричност
Дори Плиний Стари в средата на 1 век сл. н.е. обърнал внимание на обстоятелството, че пробите на някои минерали имат избрана разпознаваема форма. Албертус Магнус (1193-1280), един от най-големите интелектуалци и алхимици от Средновековието, показал, че снежинките са кристали, т.е., че водата се трансформира в кристална форма, когато замръзне. И най-после, през 1669 година е бил дефиниран законът за постоянството на кристалите (законът на Стенон и Рим-де-л’Ил): „ В кристали от едно и също вещество размерът и формата на лицата, техните взаимни дистанции и даже техният номер може да се промени. Въпреки това ъглите сред съответните лица и ръбове остават непрекъснати. “
Така на пръв взор кристалът наподобява е образец за непринудено зараждаща симетричност, която го отличавала от неструктурираната хетерогенна природа. Всъщност всичко е тъкмо противоположното – кристала поражда вследствие на нарушаване на пространствената симетричност, когато атомите са подредени в решетка под въздействието на околната среда. Водата е по-еднородна от леда, а въглеродът е по-еднороден от диаманта.
В нормалния смисъл “симетрията ” нормално се свързва с салдото и хармонията. Във физиката и математиката този термин има по-точно определение. Обектът се назовава съразмерен, в случай че има такива разновидности на неговата промяна, които да могат да трансформират този обект. На пръв взор сходно определение може да наподобява необичайно или нереално, тъй че е по-добре да го обясниме с образец. Помислете си за фигурата кръг. Ако завъртите кръга към центъра му, във всяка посока, под всевъзможен ъгъл, то тогава кръгът няма да се промени образно, макар че може би всичките му точки ще се движат до момента в който го движите. По този метод кръгът има съвършената ротационна симетричност. Квадратът също има известна симетричност, само че по-малка от тази на кръга. Квадратът би трябвало да го завъртите на 90 градуса, с цел да заеме същото състояние като преди завъртането. Тези образци показват, по какъв начин математическата идея за симетричност съдържа своето нормално схващане.
Второто преимущество на симетрията е, че тя може да се заключи. Идеята за симетрията се отнася освен за геометричните фигури, само че и за законите на физиката. Законът е съразмерен, в случай че подтекстът на неговото използване може да бъде изменен, без да се трансформира самият закон. Например, същността на специфичната доктрина на относителността е, че светът се ръководи от едни и същи физически закони, даже в случай че наблюдавате света от разнообразни точки, движещи се една по отношение на друга с непрекъсната скорост.
В подтекста на кристалите (включително и за кристалите на времето), трансформациите от друг тип са значими, като се назовават ”транслации “. Според теорията на относителността, едни и същи физически закони се ползват за разнообразни наблюдаващи на движещи се платформи, пространствената транслационна симетричност постулира, че едни и същи закони на физиката се ползват за наблюдаващи, работещи на разнообразни места. Същото се отнася и за краткотрайната транслационна симетричност. В този подтекст това значи, че законите на физиката са били в действие в предишното, те са годни в този момент и ще продължат да работят и в бъдеще.
През 2012 година Уилчек излезнал със занимателна концепция. Той си помислил, че в случай че кристалите, които познаваме през днешния ден, нарушават пространствената симетричност, то тогава допустимо ли е да се сътвори кристал, който да наруши симетрията във време – пространството по същия метод.
Такъв обект би имал причинност във времето, еквивалент на пространствената причинност на елементарните кристали. За кристал на времето такава причинност би се състояла в непрестанно „ превръщане “ на едно от неговите физически свойства, като безконечен сърдечен темп, който незабавно ни припомня за безконечния мотор.
Всички знаят, че няма безконечен мотор
Както знаете, безконечният мотор е машина, която може да работи безпределно без прилив на сила извън, което е неразрешено от законите на физиката. Въпреки това на равнище квантова физика всичко е малко по-различно от това на равнището на класическата физика. Например в свръхпроводник заредените частици могат да се движат безпределно, само че в това време те ще бъдат в най-ниското енергийно положение и техният поток ще остане изцяло постоянен. Съответно би било допустимо да се сътвори квантова версия на кристал във времето, която да наподобява като пръстен от безпределно въртящи се атоми, които минават през цялостен цикъл и се връщат към първичната си настройка. Свойствата на атомите ще останат синхронизирани за неопределен срок, тъкмо както позициите на атомите са свързани в тримерен кристал. Системата ще бъде в най-ниското енергийно положение, само че няма да е нужна външна мощ, която да го поддържа. По създание това би било същинска безконечна машина за придвижване, от която обаче въобще не се извлича потребна сила.
Уилчек осъзнал, че в тази картина имала минус – и в действителност през 2015 година Масаки Ошикава и Харуки Ватанабе от Токийския университет дефинирали теорема, съгласно която образуването на времевите кристали е невероятно във всяка система, която е достигнала най-ниската сила. Освен това е потвърдено, че кристалът на времето не може да бъде основан в никоя система, която е в равновесие.
През 2016 година група, ръководена от Шиваджи Сондхи от Принстънския университет, измислил, по какъв начин да в профил минусите в концепцията на Вилчек за кристала на времето. Екипът, управителен от Chetan Nyack, въз основа на своите проучвания стигнали до заключението, че кристалите на времето могат непринудено да нарушат главната симетричност на времето (транслационна краткотрайна симетрия) и да демонстрират периодичността във времето.
Найак и сътрудниците му посочили, че времевите кристали могат да се образуват в неравновесна система, по-точно в такава, при която термичното равновесие е нарушено. Такива квантови формирания, наречени “системите на Флокет “, в никакъв случай не се нагрявали и надлежно температурната характерност не е използвана за тях.
Системата Флокет може да се съпостави с запълнен съд, към който от горната страна е прикован куб с лед, а на дъното на съда работи горелка. Съответно от едната страна на съда е студено, а от другата е топло. Такава система не е в равновесие. В нея ще се откри постоянна температура незабавно щом кубчето лед се разтопи и горелката се изключи.
Физиците от изследователския център Station Q в Калифорнийския университет в Санта Барбара разкрили, че в такива неравновесни системи на Флокет могат да зародят разнообразни материални положения, които са невъзможни в равновесните системи и непринудено нарушават транслационната времева симетричност, т.е. образувайки кристал от време.
В същото време – отдалечавайки се от парадокса на безконечният мотор – ние означаваме, че кристалът на времето се нуждае от прилив на сила извън, както и от материална основа. Тоест, имаме потребност от сбирка от атоми, с които ще работим. Ние придаваме сила на системата от атоми под формата на квантови части, да вземем за пример лазерни импулси като следим дали в нея се образуват модели, от време на време повтарящи се с течение на времето. При тази класификация на опита е значима честотата на промените на кристала във времето да не съответствува с честотата на външните въздействия т.е. времевият кристал би трябвало да демонстрира периодическите свойства, без значение от (не) периодичността на лазерното деяние.
Напълно ново положение на материята
Норман Яо от Калифорнийския университет в Бъркли, който описал евентуално вероятен кристал на времето, като споделил, че в този случай приказваме за кардинално ново положение на материята, такова вещество което непрекъснато е в неравновесно положение. По това се разграничава от такива субстанции като проводници и изолатори, положението на които е във равновесие във всеки един миг от времето. Съответно, свойствата на такова вещество би трябвало да бъдат невероятни.
Въз основа на изчисленията на Яо, групата учени от Университета в Мериленд, водени от Кристофър Монро през 2016 година, основали верига от 10 йетербиеви йони, в която се заплитат електронните спинове. Тук откриваме сходството на времевите кристали с кубитите, основния съставен елемент на квантовите компютри. За да поддържат веригата в неравновесно положение, Монро и неговите сътрудници работили върху нея с два лазерни източника, единият от които генерирал магнитно поле в системата, а другият обръщал електронните завъртания. Тъй като всички тези електрони били заплетени, във веригата се появил повтарящ се вибрационен модел. В този случай транслационната времева симетричност била нарушена, тъкмо както би трябвало да се случи с кристала на времето. Промяната в спина на йоните се случило два пъти по-често от резултата на лазерните импулси.
Чрез смяна на знаците на електрическото поле и честотата на лазерните импулси е било допустимо да се трансформират етапите на кристала на времето, което е еквивалентно на смяната в положението на агрегацията в пространствения кристал – да вземем за пример преход от твърдо в течно положение.
Подобен опит е бил изработен от група учени, ръководена от Михаил Дмитриевич Лукин от Харвардския университет, само че те не са употребявали итербий, а специфични пропуски в кристалната решетка на диаманта.
Тогава електромагнитният подтик работил върху системата и електроните си взаимодействали, заради което “моделът ” на спиновете се трансформирало. Но след идващия микровълнов подтик, завъртанията на електроните във вакантното място се прибирали в първичното си положение.
Въпреки привидното подобие, разликата сред опитите на Монро и Лукин е било фундаментално. Диамантът на Лукин съществувал при стайна температура, до момента в който за възбуждането на квантовите вибрации в метала, тестът по предписание трябвало да се охлажда до нанокелвини. Освен това подобен елмаз е релативно елементарен за произвеждане.
През 2019 година Ник Трегер от Института „ Макс Планк “ (Германия) и Павел Грушецки от Института „ Адам Мицкевич “ (Полша) получили времеви кристал, който достигнал размера от няколко микрометра. Той се оказал толкоз огромен, че даже било допустимо да се снима. Този кристал бил основан от магнони, квазичастици, свързани с вълна от електронни завъртания в магнитен материал. Магноните са като фотони – като те са кванти на магнитно поле, както фотоните са кванти на светлината.
Трейчър избрал магноните за опита, тъй като те са били доста по-големи от фотоните и можели да бъдат непосредствено измерени с микроскоп. Освен това магноните могат да бъдат получени при стайна температура. Магнонният кристал от времето на Трегер и Грушецки е бил получен в магнитна лента, към която е била прикрепена микроскопична антена, която генерирала трептящото магнитно поле въз основа на радиочестотните импулси, идващи към него. В резултат на това било допустимо да се снимат трептенията както с пространствена, по този начин и с времевата честота.
Потенциални на практика приложения на времевите кристали
Така че, в случай че изчисленията на Уилчек и Яо са били чисто теоретична физика, тогава кристалите на Монрое, Лукин и Трегер са били типично “доказателство за концепцията “. Пътят, изминат от спекулативната концепция през 2012 година до първото потомство действителни кристали във времето през 2016 година и магноносните макроскопични кристали през 2019 година е впечатляваща. Тук Галилей евентуално би споделил следното, „ Eppur si muove “ („ И въпреки всичко се оказа “). Разбира се, кристалите на времето няма да създадат безконечният мотор, само че опциите за тяхното практическо приложение към този момент са добре забележими и се отнасят на първо място до квантовите калкулации благодарение на кристалите на Лукин. Освен това, огромните упования са свързани с квантовите калкулации на информацията. Но в кристала на времето квантовите положения просто ще се стабилизират, тъй че би било допустимо да се изберат такива етапи, които да разрешат на кристала да се върне в първичното си положение след интервенцията на входа или изхода и по този метод да стабилизира кубитите. Възможността за такава стабилизация е потвърдена през 2018 година от сингапурските учени.
От проучванията на Лукин също следва, че времевите кристали могат да се трансфорат в основа за извънредно точни атомни часовници и датчици. Тук обаче, с цел да се разрешат сходни проблеми, първо ще би трябвало да се справите с евентуално разрушителната декохерентност.
Може би кристалите на времето ще ни разрешат да поддържаме кристалната решетка в положение, в което тя ще резервира свръхпроводящите свойства при стайна температура. Подобни проучвания, свързани със стабилизирането на двойките електрони на Купър, се провеждали в Калифорнийския софтуерен институт и Института Вайцман в Израел.
Всички тези открития обаче може да са единствено върхът на айсберга. Първо, през 2020 година било реализирано следено взаимоотношение на времевите кристали и занапред ще би трябвало да се вършат заключения от това изобретение. Второ, Найак и Яо не престават да създават дискретни времеви кристали, които да се подчиняват на законите на класическата, а не на квантовата физика. Ако тази работа бъде увенчана с триумф, то те ще създадат допустимо синтезирането на времевите кристали, които не зависят нито от квантовите съмнения, нито от декохерентността.
Благодарим Ви, че прочетохте тази публикация. няма за цел да промени вашата позиция. Дали ще повярвате на тази публикация или не, това е ваш избор! Не забравяйте да ни последвате в обществените мрежи!
