713
Ми звикли, що коли щось тане, усе відбувається більш-менш одночасно: лід перетворюється на воду, і просторовий порядок зникає разом із ним. Але в екзотичному стані матерії, який називають кристалом простору-часу, простір і час можуть «танути» незалежно один від одного. У лабораторному експерименті з сотнями пластикових дисків фізики з Шанхайського транспортного університету вперше спостерігали, як такий кристал простору-часу «плавиться» у три окремі стадії, повідомляє ScienceAlert.
Виявилося, що порядок у часі і порядок у просторі в цьому дивному кристалі руйнуються при різних умовах і за різними законами, ніби це дві окремі «субстанції», які живуть за своїми правилами.
Що відомо коротко
- У фізиків є класичний аналог кристала простору-часу, створений з сотень пластикових дисків на вібруючій пластині.
- Диски самі собою організуються в трикутну кристалічну решітку, яка обертається як єдине ціле з періодом близько 5 годин.
- Цей тривалий часовий ритм не збігається з частотою вібрації пластини у 100 герц, а тобто виникає самостійно.
- Під час «розплавлення» кристала простору-часу дослідники побачили три стадії танення, де порядок у часі та просторі зникає окремо.
- Робота показує, що правила впорядкування в часі відрізняються від правил впорядкування в просторі, принаймні для такого типу систем.
Що таке кристал простору-часу на інтуїтивному рівні
Звичайний кристал — це коли атоми викладені в чітку тривимірну «решітку», що повторюється в просторі, як візерунок на шпалерах. Якщо уявити, що ви берете маленький фрагмент такого візерунка і накладаєте на інший — вони збігаються ідеально.
Кристал простору-часу йде на крок далі: впорядкованим стає не лише простір, а й час. Система не просто «лежить» у впорядкованій решітці — вона ритмічно oscillює, повторюючи той самий рух знову й знову з фіксованим інтервалом. Це як маятник, який не зупиняється і не розгойдується сильніше чи слабше, а вічно повторює той самий ідеальний крок танцю.
Фізики вважають такі часові кристали окремим станом матерії, але створити справжній квантовий кристал простору-часу й утримати його достатньо довго надзвичайно складно. Тому для дослідження вони використовують «класичні аналоги» — системи, які хоч і складаються з великих об’єктів, але поводяться за схожими правилами впорядкування.
Як пластик став аналогом кристала простору-часу
У новому експерименті команда вчених взяла плоску поверхню, яку змушувала вібрувати з частотою 100 разів на секунду. Це трохи нагадує відомі демонстрації з пластинами Хладні, на яких пісок «малює» візерунки відповідно до частоти коливань.
Але замість піску дослідники використали маленькі пластикові диски із шістьма нахиленими «ніжками» знизу. Кожного разу, коли пластина підскакує, ніжки коротко вдаряються об неї, і диск отримує випадковий поштовх. Окремі диски при цьому рухаються схоже на натовп людей у метро в годину пік — тісно, шумно й хаотично.
Та варто було досить щільно «упакувати» ці диски на поверхні, як ставалося щось дивне. Хаос раптом сам собою перетворювався на трикутну кристалічну решітку. Усі диски «вишикувалися» у впорядкований візерунок і починали обертатися довкола центру як єдине тверде тіло, здійснюючи один повний оберт приблизно раз на п’ять годин.
Цей повільний ритм обертання абсолютно відрізнявся від швидких вібрацій пластини. Пластина лише постачала енергію, але сам часовий порядок виникав усередині системи самостійно. Такий стійкий, повторюваний ритм і є аналогом «кристалу» в часі.
Три стадії «танення» кристала простору-часу
Щоб змусити цю структуру «розплавитися», дослідники почали поступово зменшувати густину — забирати частину дисків із поверхні. Здавалося б, система мала просто повільно деградувати назад у хаос. Але побачили зовсім інший, набагато цікавіший сценарій.
По-перше, розпалося впорядкування в часі. У деяких локальних ділянках синхронний ритм обертання почав давати збої, тоді як решта кристала ще зберігала спільний «танець». Це нагадує оркестр, у якому окремі музиканти раптом починають збиватися з такту, хоча більшість продовжує грати партитуру правильно.
На другій стадії глобальний ритм зник повністю: кристал втратив спільний часовий порядок, але при цьому значна частина просторової решітки ще трималася. Умовно кажучи, «оркестр» продовжував сидіти на своїх місцях, але перестав грати разом.
Лише на третій стадії почала руйнуватися й сама просторова структура. Кристалічна решітка розпалася на більш хаотичну «рідиниподібну» конфігурацію, схожу на безладний рух часток у звичайній рідині.
Аналіз показав, що за цими двома типами танення стоять різні фізичні процеси. Втрату часової впорядкованості спричинило ослаблення взаємодії між частинками, тоді як руйнування просторового кристала відбулося через поширення дефектів у решітці.
Чому це важливо для розуміння фазових переходів
Для звичайних кристалів десятиліття досліджень плавлення дозволили фізикам розібратися в тому, як виникають дефекти, як порушується симетрія та що таке фазові переходи — моменти, коли матерія різко змінює свій стан. Тепер подібну «лабораторію плавлення» отримали і для кристалів простору-часу.
Новий експеримент демонструє, що симетрії в просторі та в часі можуть порушуватися незалежно, при різних критичних умовах, і навіть через різні фізичні механізми. Тобто закони порядку в часі не зводяться просто до законів порядку в просторі з додатковим параметром — вони мають власну «динамічну логіку».
Автори роботи зазначають, що це не означає: усі кристали простору-часу тануть саме так. Але їхній експеримент чітко показує, що під час плавлення простір і час можуть «роз’єднуватися» — і це відкриває нові можливості для вивчення фазових переходів у класичних системах, далеких від рівноваги.
Цікаві факти
Обертання кристалічної решітки тривалістю близько 5 годин може зберігатися майже добу, незважаючи на значний шум і випадкові поштовхи.- Для створення кристала простору-часу не потрібні надпотужні прискорювачі чи космічні обсерваторії — його вдалося реалізувати на звичайному лабораторному столі з пластиковими деталями.
- Система одночасно демонструє ознаки і звичайного кристала, і рідини, і «часового кристала», переходячи між цими станами в процесі трьохетапного танення.
FAQ
Це справжній квантовий кристал простору-часу чи лише модель?
У цій роботі використано класичний аналог кристала простору-часу: великі пластикові диски, а не квантові частинки. Однак він відтворює ключові риси впорядкування в часі та просторі, що дає змогу вивчати загальні закономірності без складнощів квантових експериментів.
Чому досліджувати танення важливіше, ніж існування самого кристала?
Коли структура руйнується, «оголюються» механізми, які тримали її впорядкованою. Через процес танення фізики можуть побачити, які саме взаємодії відповідають за просторовий і часовий порядок, і де проходять межі між різними фазами матерії.
Чи можна застосувати ці результати до інших систем, наприклад у квантовій фізиці?
Автори роботи вказують, що результати стосуються саме класичної моделі, але принципи роздільного порушення просторової та часової симетрій можуть надихнути нові підходи до квантових систем. Зокрема, це важливо для розуміння нестаціонарних станів матерії та складних фазових переходів.
Чи означає це, що простір і час дійсно «незалежні» в природі?
Експеримент показує незалежність симетрій у просторі та часі для конкретної моделі, а не фундаментальне розділення простору і часу в масштабі Всесвіту. Але він демонструє, що навіть у простих макроскопічних системах порядок у часі може жити за іншими правилами, ніж порядок у просторі.
Кристал простору-часу, який тане по-різному в часі й у просторі, нагадує, що навіть знайомі слова «кристал» і «плавлення» приховують набагато дивнішу реальність, ніж нам здається. У простому експерименті з пластиковими дисками виявляється, що час може «ламатися» раніше за простір — і це змушує по-новому подивитися на те, як матерія організовує себе не лише в трьох вимірах, а й у четвертому.
Фізики змусили кристал простору-часу танути по-різному в часі й просторі з’явилася спочатку на Цікавості.
