Як виглядає час? Вчені показали наочно, використовуючи пінопласт і звук — Серія зображень, що показує повторюваний патерн кристала часу /Фото: Центр досліджень м’якої матерії NYU

Екзотичні стани матерії, відомі як кристали часу, здебільшого вважають квантовим явищем. Команда з Нью-Йоркського університету (NYU) показала, що класичний кристал часу може виникати значно простішим способом — вчені використали лише динаміки та пінопласт.

Результати опубліковані в Physical Review Letters. Система, яку використовували вчені, може бути не лише надзвичайно “чистим” прикладом класичного кристала часу, а й зручним лабораторним майданчиком для вивчення нереципрокних (не-дзеркальних) взаємодій у макроскопічному масштабі, де частинки взаємодіють через розсіяні звукові хвилі, а не через прямі, збалансовані сили.

“Кристали часу захоплюють не лише через можливості, а й тому, що здаються такими екзотичними та складними. Наша система примітна тим, що вона неймовірно проста”, — каже фізик NYU Девід Ґрієр.

Кристали часу, вперше передбачені у 2012 році американським фізиком, лауреатом Нобелівської премії Франком Вілчеком, ще дивніші, ніж підказує їхня назва. Вілчек припустив, що атоми можуть змінюватися з часом навіть у своєму найнижчому енергетичному стані, такфізи само як надпровідник технічно може переносити електричний струм, перебуваючи у своєму найнижчому енергетичному стані. Зазвичай у кристалічних об’єктах, таких як кварц, алмаз, сіль і ціла низка металів, атоми впорядковані в акуратну ґратчасту структуру, що повторюється в тривимірному просторі, подібно до з’єднань перекладин на дитячому каркасі для лазіння. Будь-яка частина такого патерну може ідеально накладатися на будь-яку іншу.

Кристали часу подібні до звичайних кристалів тим, що базуються на структурах атомів, які повторюються. Але замість повторення в трьох вимірах простору вони змінюються за заданим патерном у часі. Термін описує не об’єкт, а тип поведінки — і все зводиться до того, як повторюються патерни. Тобто, кристали часу — це впорядкування частинок, яке повторюється в часі, осцилюючи з часовим патерном, що також може накладатися сам на себе, подібно до просторового кристала. Критично важливо, що така безперервна осциляція порушує часову симетрію, працюючи без зовнішнього “тікаючого” годинника або періодичного збудження, і на частоті, яка виникає з самої взаємодії. Багато експериментальних кристалів часу є квантовими системами, заснованими на заплутаних станах.

Ґрієр і його колеги — фізики NYU Міа Моррелл та Ліла Елліотт — майже випадково відкрили свою класичну систему, досліджуючи інший клас фізичних взаємодій. Крихітні кульки з полістиролу, діаметром лише міліметр-два, є чудовими інструментами для вивчення того, як об’єкти непрямо взаємодіють через звукові хвилі. Вони дуже легкі, тож їх можна левітувати за допомогою звуку, але водночас мають достатню структурну міцність, щоб залишатися жорсткими під дією акустичних сил. Також вони мають незначні відмінності у розмірі та формі, що є ключовим для вивчення нереципрокних взаємодій. Вчені проводили експерименти в межах своїх поточних досліджень цих взаємодій. Спершу невеликий масив динаміків налаштували на створення стоячої звукової хвилі — такої, що є ідеально збалансованою за структурою, без нав’язаного ритму. Потім у систему ввели кульки, що створили крихітне збурення, від якого відбивалися звукові хвилі.

“Звукові хвилі чинять сили на частинки — так само, як хвилі на поверхні ставка можуть чинити силу на листок, що плаває. Ми можемо левітувати об’єкти проти сили тяжіння, занурюючи їх у звукове поле, яке називається стоячою хвилею”, — каже Моррелл.

Дві кульки взаємодіють через хвилі, які кожна з них розсіює. Трохи більша кулька створює сильніше збурення, ніж менша; відповідно, сила, яку вона чинить на меншу кульку, є більшою за силу, яку менша чинить на більшу. Саме це і мається на увазі під нереципрокною взаємодією — поширеною в акустиці та оптиці, але зазвичай малою й складною для експериментальної ізоляції. Використовуючи свою установку для дослідження цього явища, дослідники з’ясували, що за точно підібраних умов взаємодія між двома кульками змушує їх осцилювати в часовому патерні — без будь-якого струшування, поштовхів чи іншого введення ритму.

Кульки можуть підтримувати стабільний повторюваний патерн протягом годин, переходячи в надійний стаціонарний стан, а не в короткочасну флуктуацію. При цьому — лише дві кульки. Це найменша можлива система, яка потенційно поводиться як кристал часу. Практичних застосувань поки що може не бути, але результати можуть зацікавити інші експериментальні напрями. Наприклад, деякі біохімічні системи в нашому тілі взаємодіють нереципрокно. Це не означає, що наші циркадні ритми є кристалами часу, але порушує цікаві питання про те, чи можуть подібні принципи проявлятися в біології. Робота також показує, що для дослідження деяких найбільш екзотичних проявів фізичного світу не обов’язково потрібне дороге, високотехнологічне обладнання. Іноді, здається, достатньо пінопласту і, можливо, сабвуфера.