Как выглядит время? Ученые показали наглядно, используя пенопласт и звук

Экзотические состояния материи, известные как кристаллы времени, в основном считают квантовым явлением. Команда из Нью-Йоркского университета (NYU) показала, что классический кристалл времени может возникать значительно более простым способом — ученые использовали только динамики и пенопласт.

Результаты опубликованы в Physical Review Letters. Система, которую использовали ученые, может быть не только чрезвычайно «чистым» примером классического кристалла времени, но и удобной лабораторной площадкой для изучения нереципрокных (не-зеркальных) взаимодействий в макроскопическом масштабе, где частицы взаимодействуют через рассеянные звуковые волны, а не через прямые, сбалансированные силы.

Кристаллы времени, впервые предсказанные в 2012 году американским физиком, лауреатом Нобелевской премии Франком Вилчеком, еще более странные, чем подсказывает их название. Вилчек предположил, что атомы могут меняться со временем даже в своем самом низком энергетическом состоянии, так же как сверхпроводник технически может переносить электрический ток, находясь в своем самом низком энергетическом состоянии. Обычно в кристаллических объектах, таких как кварц, алмаз, соль и целый ряд металлов, атомы упорядочены в аккуратную решетчатую структуру, повторяющуюся в трехмерном пространстве, подобно соединениям перекладин на детском каркасе для лазания. Любая часть такого паттерна может идеально накладываться на любую другую.

Кристаллы времени подобны обычным кристаллам тем, что базируются на структурах атомов, которые повторяются. Но вместо повторения в трех измерениях пространства они меняются по заданному паттерну во времени. Термин описывает не объект, а тип поведения — и все сводится к тому, как повторяются паттерны. То есть, кристаллы времени — это упорядочение частиц, которое повторяется во времени, осциллируя с временным паттерном, который также может накладываться сам на себя, подобно пространственному кристаллу. Критически важно, что такая непрерывная осцилляция нарушает временную симметрию, работая без внешних «убегающих» часов или периодического возбуждения, и на частоте, которая возникает из самого взаимодействия. Многие экспериментальные кристаллы времени являются квантовыми системами, основанными на запутанных состояниях.

Гриер и его коллеги — физики NYU Миа Моррелл и Лила Эллиотт — почти случайно открыли свою классическую систему, исследуя другой класс физических взаимодействий. Крошечные шарики из полистирола, диаметром всего миллиметр-два, являются прекрасными инструментами для изучения того, как объекты косвенно взаимодействуют через звуковые волны. Они очень легкие, поэтому их можно левитировать с помощью звука, но в то же время имеют достаточную структурную прочность, чтобы оставаться жесткими под действием акустических сил. Также они имеют незначительные различия в размере и форме, что является ключевым для изучения нереципрокных взаимодействий. Ученые проводили эксперименты в рамках своих текущих исследований этих взаимодействий. Сначала небольшой массив динамиков настроили на создание стоячей звуковой волны — идеально сбалансированной по структуре, без навязанного ритма. Затем в систему ввели шарики, создавшие крошечное возмущение, от которого отражались звуковые волны.

Два шарика взаимодействуют через волны, которые каждый из них рассеивает. Немного больший шарик создает более сильное возмущение, чем меньший; соответственно, сила, которую он оказывает на меньший шарик, больше силы, которую меньший оказывает на больший. Именно это и подразумевается под нереципрокным взаимодействием — распространенным в акустике и оптике, но обычно малым и сложным для экспериментальной изоляции. Используя свою установку для исследования этого явления, исследователи выяснили, что при точно подобранных условиях взаимодействие между двумя шариками заставляет их осциллировать во временном паттерне — без какого-либо встряхивания, толчков или иного введения ритма.

Шарики могут поддерживать стабильный повторяющийся паттерн в течение часов, переходя в надежное стационарное состояние, а не в кратковременную флуктуацию. При этом — только два шарика. Это наименьшая возможная система, которая потенциально ведет себя как кристалл времени. Практических применений пока что может не быть, но результаты могут заинтересовать другие экспериментальные направления. Например, некоторые биохимические системы в нашем теле взаимодействуют нереципрокно. Это не означает, что наши циркадные ритмы являются кристаллами времени, но поднимает интересные вопросы о том, могут ли подобные принципы проявляться в биологии. Работа также показывает, что для исследования некоторых наиболее экзотических проявлений физического мира не обязательно требуется дорогостоящее, высокотехнологичное оборудование. Иногда, кажется, достаточно пенопласта и, возможно, сабвуфера.

Источник: ScienceAlert.com