Ученые из Нью-Йоркского университета совершили прорыв, который заставляет пересмотреть школьный курс физики. Они создали новый «временной кристалл» — форма материи, которая нарушает знаменитый третий закон Ньютона. Уникальность эксперимента в том, что для наблюдения за этим квантовым феноменом больше не нужны гигантские адронные коллайдеры: вся установка помещается на ладони, а процесс виден невооруженным глазом.
Физика на ладони
Обычные кристаллы (например, алмаз или соль) имеют структуру, которая повторяется в пространстве. Временные кристаллы устроены сложнее: их частицы находятся в постоянном, ритмичном движении, повторяя свой цикл не только в пространстве, но и во времени, причем делают это без потери энергии.
Чтобы создать макроскопическую версию такого кристалла, нью-йоркские физики использовали акустическую левитацию. Они взяли крошечные пенопластовые шарики и подвесили их в воздухе с помощью направленных звуковых волн из динамиков. Звук работал как невидимая полка, не давая частицам упасть.
Самое интересное началось, когда шарики стали взаимодействовать. В классической физике Ньютона сила действия всегда равна силе противодействия. Но звук сломал это правило. Более крупные пенопластовые шарики рассеивали больше звуковых волн, чем мелкие. В результате большой шар давил на маленький гораздо сильнее, чем маленький давил в ответ. Возникло физическое неравновесие. Из-за этой асимметрии шарики начали раскачиваться и колебаться самостоятельно, создав устойчивый, бесконечно повторяющийся ритм — тот самый временной кристалл.
Как это открытие изменит нашу жизнь?
На первый взгляд, левитирующий в звуковых волнах пенопласт кажется просто изящным лабораторным фокусом. Однако понимание механики временных кристаллов и систем, нарушающих симметрию, имеет колоссальное прикладное значение для будущего человечества.
1. Прорыв в квантовых компьютерах. Главная проблема современных квантовых компьютеров -их нестабильность. Кубиты (ячейки памяти) моментально теряют информацию при малейшем колебании температуры или внешнем шуме. Временные кристаллы обладают способностью сохранять свой ритм и структуру несмотря ни на что. Если ученые научатся применять принципы таких кристаллов при создании вычислительных чипов, мы получим абсолютно стабильную квантовую память. Это ускорит появление суперкомпьютеров, способных за секунды разрабатывать новые лекарства или просчитывать сложнейшие экономические кризисы.
2. Революция в понимании биологических часов. Физики отмечают, что подобное «неравновесное» взаимодействие (когда действие не равно противодействию) постоянно происходит внутри нашего организма. По таким же асимметричным законам работают наши циркадные ритмы (биологические часы, регулирующие сон и бодрствование) и сложная моторика пищеварительного тракта. Наглядная модель нью-йоркских ученых позволит биологам и врачам лучше понять, как именно клетки синхронизируются между собой. В перспективе это ключ к лечению тяжелых нарушений сна, проблем с метаболизмом и заболеваний нервной системы.
3. Создание «вечных» механизмов. Материалы, способные вечно двигаться в заданном ритме без дополнительного притока энергии извне, открывают дорогу к созданию сверхточных хронометров, датчиков и наномоторов. В будущем это может привести к появлению автономных микророботов, которые смогут курсировать по кровеносной системе человека, доставляя лекарства строго в больные клетки, не требуя при этом внешних элементов питания.
NEWSROOM IN напоминает, строительство Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН стоило около $5 млрд (4,75 млрд евро) за сам ускоритель, а с учетом детекторов и инфраструктуры общая сумма превысила $9 млрд. Будущие проекты, такие как Future Circular Collider (FCC), оцениваются в $20-23 млрд или 16-21 млрд евро
