Хотя твёрдые тела, жидкости и газы составляют привычный нам мир, учёные предложили «новое состояние» материи, которое гораздо, гораздо страннее.
По мнению исследователей из Общества Макса Планка, может существовать тип жидкости, которая течёт не в пространстве, а во времени.
Эти теоретические субстанции, удачно названные «временными жидкостями», несовершенно повторяют узоры во времени — так же, как атомы в жидкости лишь слабо удерживают узор в пространстве.
Хотя учёные ещё не сталкивались с этим озадачивающим состоянием, математическое моделирование предполагает, что оно может существовать при некоторых очень специфических обстоятельствах.
Временные жидкости очень похожи на так называемые «временные кристаллы» — странное состояние материи, которое учёные впервые смогли создать в лаборатории в 2016 году.
Однако временные кристаллы могут формироваться только при идеальных условиях и теряют свою «кристаллическую» структуру, если что-то не идеально.
Временные жидкости, напротив, могут существовать в стабильных, равномерных температурах — технически это называется тепловым равновесием.
Это может означать, что эти странные формы материи способны существовать в более широком диапазоне условий, и их, возможно, удастся создать в лаборатории.
Чтобы понять, что такое временная жидкость на самом деле, нужно начать с концепции временного кристалла.
Если посмотреть на кристалл льда под достаточно мощным микроскопом, можно увидеть, что атомы расположены в повторяющемся узоре, который простирается в пространстве.
Если кристалл станет больше, этот узор будет лишь повторяться и продолжаться бесконечно.
Временные кристаллы похожи на кубик льда, который обладает предсказуемыми, повторяющимися узорами, простирающимися во времени, а также в пространстве.
На практике эти кристаллы вибрируют или «тикают» на постоянных частотах, то есть они кристаллизованы в четырёх измерениях, а не в обычных трёх.
В лаборатории учёным удалось создать временные кристаллы, которые кружатся и движутся при облучении светом, создавая психоделические узоры в виде тигриных полос, повторяющиеся во времени.
Описывая создание нового временного кристалла в прошлом году, доктор Ханьцин Чжао из Университета Колорадо в Боулдере сказал: «Всё рождается из ничего. Всё, что вы делаете, — светите светом, и весь этот мир временных кристаллов возникает».
Хотя они хрупки и чувствительны к окружающей среде, временные кристаллы теоретически должны повторять свои узоры вечно, как часы, которые никогда не нужно заводить.
Временная жидкость, тем временем, — это по сути то, что получится, если «расплавить» временной кристалл, как кусок льда.
Когда лёд тает в жидкую воду, идеальная кристаллическая структура распадается в жидкий хаос, в котором атомы сохраняют регулярную структуру лишь за счёт взаимодействия с ближайшими соседями.
Точно так же временная жидкость не обладает долговременной когерентностью временного кристалла, но сохраняет форму «ближнего» временного порядка.
Если учёные найдут способ воспроизвести это в лаборатории, это могло бы открыть новые способы исследования того, как материя реагирует на окружающую среду и как порядок может возникать из кажущегося хаоса.
Однако установка, необходимая для создания временной жидкости, чрезвычайно сложна.
В своей предварительной статье, опубликованной на arXiv, исследователи описывают «двумерную спиновую систему, связанную с резонатором конечной температуры».
Чтобы понять, что это значит, представьте плоский лист крошечных магнитных стрелок компаса, которые могут вращаться по часовой стрелке или против неё, помещённый в полую камеру с магнитным полем.
При нагревании камеры случайные тепловые флуктуации создавали бы электромагнитное поле, которое вращало бы стрелки при их взаимодействии с соседями.
Подобно колоколу, настроенному на определённую ноту, этот резонатор имеет определённую резонансную частоту, так что случайные изменения создают приблизительный ритм, даже если никто намеренно не отбивает такт.
Если бы этот узор просто продолжал повторяться, у вас могло бы получиться нечто близкое к временному кристаллу, но математическое моделирование исследователей показало иное.
При некоторых условиях вращающиеся стрелки в целом сохраняли бы свой ритм, но иногда выбивались бы из порядка, перескакивая между двумя версиями повторяющихся узоров.
Эти дефекты нарушают долговременную когерентность, не разрушая лежащий в основе ритм, — так же, как атомы в воде сохраняют часть локальных структур, даже если общая когерентность кристалла утрачена при плавлении.
Сейчас эта странная конструкция остаётся полностью теоретической, но есть основания полагать, что она может стать реальной.
Когда временные кристаллы были впервые предложены в 2012 году, многие думали, что их никогда не удастся создать, а теперь лаборатории даже начинают находить практическое применение этим странным сущностям.
Так что, возможно, это лишь вопрос времени, когда учёным удастся создать в лаборатории ещё более странное состояние материи.
ЧТО ТАКОЕ ВРЕМЕННЫЕ КРИСТАЛЛЫ?
Хотя атомы, составляющие кристаллы, такие как лёд или алмаз, расположены в повторяющемся узоре в пространстве, узор временных кристаллов повторяется во времени.
Эти странные кристаллы состоят из взаимодействующих атомов, которые никогда не «успокаиваются» до теплового равновесия.
Их структура повторяется во времени, поскольку их периодически «подталкивают», подобно тому, как желе дрожит, когда по нему стучат.
«Разве не было бы сверхстранно, если бы вы встряхнули желе и обнаружили, что оно каким-то образом реагирует с другим периодом?» — сказал физик из Беркли Норман Яо.
«Но в этом и суть временного кристалла.
«У вас есть некий периодический драйвер с периодом «T», но система каким-то образом синхронизируется так, что вы наблюдаете колебания системы с периодом, большим, чем «T»».
Но, объясняют исследователи, одного повторения недостаточно.
Чтобы всё держалось вместе и становилось «жёстким», кристалл должен обладать достаточно стабильным ритмом.
Источники: предварительная статья исследователей Общества Макса Планка на arXiv; материалы о временных кристаллах (включая эксперименты 2016 года и комментарии доктора Ханьцина Чжао, Университет Колорадо в Боулдере, и физика Нормана Яо, Беркли).
Ваш комментарий