Времеви кристал: Какво е и защо въобще трябва да ни интересува

Въпреки името си, времевият кристал всъщност не е кристал. „Кристалът е система от много атоми, които благодарение на взаимодействия помежду си се организират в периодичен модел в пространството“, казва Костянтин Кечеджи, щатен научен сътрудник в Google. Времевият кристал пък „е квантова система от много частици, които се организират в периодичен модел на движение – периодичен във времето, а не в пространството – който се запазва за вечни времена.“.

Тоест, докато нормалният кристал се определя от свръхподредената система от атоми в пространството – така че можете да го въртите всякак и той ще изглежда по един и същи начин – времевият кристал има същото свойство, но във времето. Можете да си го представите като по-сложна версия на нашата система Земя-Луна: два обекта, които обикалят около барицентър и се връщат в едни и същи позиции един спрямо друг на равни интервали от време.

Разбира се, това е твърде проста илюстрация; времевите кристали всъщност не се състоят само от два обекта: „Ключовата новост на времевия кристал е периодичното движение на система от много обекти, които взаимодействат помежду си“, казва Кечедзи. В действителност движението на планетите е ужасен пример: „реалното поведение на планетите е хаотично, което означава, че дори минимално отклонение на планетата от пътя ѝ днес ще доведе до напълно променена траектория с течение на времето, макар и за милиарди години.“

Добре, но защо трябва да ме интересува?

Няма никакво съмнение: сред почитателите на квантовата физика времевите кристали са много голям проблем. „Този кристал продължава да се движи и да се повтаря периодично във времето в отсъствието на външен стимул“, казва Самули Аути, научен сътрудник в катедрата по физика на университета в Ланкастър. „Това означава, че те са вечни машини и следователно са невъзможни“.

Как тогава изобщо могат да съществуват? Ключът е в характера на квантовия свят – пространството, в което котките могат да бъдат едновременно живи и мъртви, а светлината може да бъде едновременно и частица, и вълна. И в двата на пръв поглед парадоксални примера привидното противоречие се дължи на така наречения „ефект на наблюдателя“: в квантовата механика частиците съществуват в състояние на суперпозиция – т.е. във всички възможни състояния едновременно – докато някой не ги погледне и по този начин не предизвика разпадане на суперпозицията.

И именно този вид странности позволяват на кристалите ако не да нарушат, то със сигурност да огънат законите на термодинамиката. „В квантовата физика вечният двигател е възможен, стига да не го поглеждаме“, казва Аути. „Той трябва да започне да се забавя само ако започнем да наблюдаваме движението му.“

Така времевите кристали може да са ключът към разрешаването на някои от най-упоритите проблеми в съвременната физика. „Преходът от квантовата към класическата физика остава слабо разбран. Времевите кристали обхващат част от тази граница. Затова трябва да ги изучим подробно.“

Някои специалисти твърдят, че кристалите имат силата да ни покажат природата на самото време. „Колкото и да се опитвате да третирате времето като просто още едно измерение, то винаги е нещо като аутсайдер“ в класическата физика, казва Четан Наяк, инженер-изследовател в Microsoft Station Q, Калифорнийски университет, Санта Барбара. Но когато времевите кристали навлязат в картината, „изведнъж времето е просто част от всичко“.

Това звучи страхотно, но не и много практично…

Да, времевите кристали, поне засега, са доста безполезни извън средите на физиката. Но това не означава, че винаги ще бъдат такива – и според тези, които ги изучават, те имат огромен потенциал.

„Времевият кристал, подобно на феромагнетизма или свръхпроводимостта, е пример за спонтанно нарушаване на симетрията или спонтанен ред“, отбелязва Кечедзи. Това го поставя в същата лига като тези две утопични технологии, обяснява той – с изключение на това, че той има нещо уникално. „Спонтанното нарушаване на симетрията е свързано с равновесието.“ Течната вода например се превръща в лед, когато температурата на околната среда спадне достатъчно ниско; водородните и кислородните атоми, които я съставляват, се установяват в състояние с възможно най-ниска енергия и в крайна сметка свойствата им стават стабилни. Времевите кристали, от друга страна, играят по други правила: те нарушават симетрията на пренасяне на времето. „И са единствените неща във Вселената, за които е известно, че го правят.“

„Забележително свойство на наблюдавания от нас времеви кристал е спонтанният му ред, въпреки че е изведен от равновесие“, казва Кечедзи. „А стабилните примери за спонтанно нарушаване на симетрията често имат значителна технологична стойност.“

Каква точно ще бъде тази стойност – това предстои да разберем. Вратата обаче е отворена: „те могат да се използват като градивен елемент за квантови устройства, които работят и извън лаборатория“, каза Аути. „Може би в крайна сметка един ден ще захранват квантовите функции във вашия смартфон.“

Кога?

Ако искате да се сдобиете с времеви кристал, по-добре е да разполагате с физическа лаборатория – за момента те са много малки и много капризни.

Най-успешните експерименти са свързани с изграждането на суперкомпютри – като машината Sycamore (от англ. ез. – явор) на Google – или за охлаждане на газове до микроскопични температури, както направиха миналата година Аути и колегите му.

Всъщност тези кристали са толкова трудни за създаване, че до момента, в който физици от Университета в Мериленд полуслучайно не откриха такъв през 2017 г., самото им съществуване се смяташе за невъзможно…

И все пак, ако наистина искате времеви кристал, има алтернатива – и тя всъщност е доста възхитителна. Още през 2018 г., само една година след създаването на първия, изследователи от Йейлския университет откриха следи от такъв, който се крие на доста необичайно място – не в квантов процесор, не в супер охладена тръба с водород, а в детска играчка.

„Моят студент Джаред Ровни беше отгледал кристали от моноамониев фосфат за съвсем различен експеримент, така че се случи да имаме такива в лабораторията си“, казва тогава професорът по физика в Йейл Шон Барет.

Ако махнем химическия жаргон, става въпрос за комплект за отглеждане на кристали – играчка, която не е много популярна у нас, но е на практика безобиден научен експеримент за дете.

Така че, лели и чичовци по света, внимавайте какво подарявате на малките. Може да открият съвсем ново състояние на материята…