Что такое темпоральный кристалл и как он переворачивает наши представления о законах физики
Что такое темпоральный кристалл и как он переворачивает наши представления о законах физики
Автор фото, Science Photo Library
В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи — так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов известным нам фундаментальным законам физики.
Научная статья, написанная при участии исследователей из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов и подробно описывающая технологию создания кристалла, осенью должна быть опубликована в журнале Nature — после того как пройдет положенную проверку научным сообществом.
Авторы работы (а в черновике публикации перечислено больше сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров — настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно, и создан кристалл времени был внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера, Google Sycamore.
Эксперты называют это открытие настолько революционным, что «в полной мере осознать его важность мы пока еще даже не в состоянии».
Так что такое кристалл времени?
Всем известны три основные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить одно в другое при необходимых условиях — давлении и температуре.
Однако этими тремя Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного нам вещества.
За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и другие.
Темпоральный кристалл — одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный — будь то драгоценный алмаз или простой лед.
В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл — твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный — так что его структура напоминает скорее кубик Рубика.
Автор фото, Getty Images
Трехмерная структура, в которой атомы располагаются на одинаковом удалении друг от друга, называется кристаллической решеткой
В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.
Однако теория относительности утверждает, что, помимо трехмерного пространства, у Вселенной есть и четвертое измерение — время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться точно так же — в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга — но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.
Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом кверху. Потом эту коробку хорошенько потрясли, открыли — и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перевернулись одинаково: теперь все до единой лежат кверху решкой.
Потрясли еще раз — снова везде орел; еще — опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась изначально — и возвращается к нему вновь и вновь, после каждого четного изменения. А после каждого нечетного — меняет это состояние на противоположное.
Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, ученые говорят, что в данном случае нарушена симметрия времени. Именно это — определяющее свойство темпоральных кристаллов.
Монеты в данном случае — это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка — их квантовые состояния, а «потряхивание коробки» — любое периодически повторяющееся воздействие (например, облучение кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории — и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.
Автор фото, Getty Images
Нобелевскую премию по физике Вильчек получил в 2004 году
И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата были обнаружены неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились — и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени называют революцией в науке?
Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики — во всяком случае так кажется на первый взгляд.
Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии (энергия лазера кристаллу не передается, выступая своеобразным «физическим катализатором») — а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году — «ввиду очевидной невозможности его создания».
Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе — как если бы между ними была какая-то необъяснимая связь, — хотя весь наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.
- Телепортация — не фантастика, а реальность. Как это работает?
Всем известно, что разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток — дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который гласит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют «тепловая смерть».
Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, поэтому рано или поздно колебания затухают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякой подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться обратно) бесконечно.
Сообщество Макса Планка называет эти кадры «первой в мире видеозаписью пространственно-временного кристалла»
Правда, инженер Google и ведущий автор работы Сяо Ми говорит Русской службе Би-би, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристал не годится.
«Хотя кристал действительно демонстрирует «вечное движение», это движение не производит энергии», — объясняет он.
«На самом деле свидетельство вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, — продолжает физик. — Например, в сверхпроводниках, по которым электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где, так же без всякого сопротивления, перемещаются атомы гелия. Хотя ни там ни там пространственная симметрия не нарушена — а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают».
Что же касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, раз уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрия относительно сдвига во времени,
«Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять: «тепловой смерти» можно избежать — путем так называемой многочастичной локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется», — говорит Сяо Ми.
Зачем все это нужно?
Теоретическая физика не относится к прикладным наукам — а значит, в ближайшее время невероятному открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.
Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шуму (то есть любым воздействиям извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.
Еще одна популярная версия состоит в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.
Однако пока любые версии применения темпоральных кристалов на практике — не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия.
Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.
«Кристаллы времени — явление настолько удивительное, что заслуживает изучения само по себе, безо всякой практической цели, — уверяет он. — Нам ведь так мало известно о состояниях, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия».
Ноябрьские газовики открыли «Лабораторию занимательной науки и техники»
Газпром добыча Ноябрьск (ООО)
Новости проектов и регионов
9 марта в Музее освоения Севера города Губкинского состоялась презентация «Лаборатории занимательной науки и техники», созданной на средства социального гранта ООО «Газпром добыча Ноябрьск».
В ходе реализации проекта было закуплено 18 интерактивных учебных экспонатов, в том числе «Вечный двигатель», «Угловая скорость», «Колесо-гироскоп», «Мираж-мираскоп», «Магнитный мост». Проект позволяет детям в игровой форме понять химические и физические законы окружающего мира.
Один из интерактивных экспонатов — «Магнитный мост»
«Лаборатория занимательной науки и техники» — один из проектов-победителей конкурса, который компания проводила в прошлом году. Идею оценили не только представители комиссии, но и жители города.
Теперь школьники частые гости в музее
Наука и техника — процесс познавательный
В 2016 году газодобывающее предприятие поддержало инициативы учреждений, расположенных в регионах своей производственной деятельности — на Ямале, Камчатке и в Якутии. На реализацию каждого из шести проектов было выделено по 500 тыс. рублей.
Интерес к Лаборатории проявляют не только дети, но и взрослые
Справка
ООО «Газпром добыча Ноябрьск» — 100-процентная дочерняя компания ПАО «Газпром», осуществляющее разработку пяти месторождений, в том числе четырех газовых, одного нефтегазоконденсатного.
Производственные объекты компании расположены в Ямало-Ненецком автономном округе, на Камчатке, Урале и в Якутии. В составе предприятия пять газовых промыслов и три газопромысловых управления. На правах оператора компания оказывает услуги по добыче и подготовке газа независимым недропользователям на Губкинском, Муравленковском, Новогоднем, Вынгапуровском, Тарасовском, Северо-Губкинском месторождениях (ЯНАО), а также Кшукском и Нижне-Квакчикском на Камчатке.
В компании действует система экологического менеджмента ISO 14001:2004 и система менеджмента охраны труда, промышленной и пожарной безопасности OHSAS 18001:2007. Коллектив насчитывает свыше 4 тыс. человек. Главный офис находится в Ноябрьске.
Конкурс социальных грантов ООО «Газпром добыча Ноябрьск» проводится с 2010 года и является одной из форм поддержки общественных объединений, органов территориального общественного самоуправления, некоммерческих организаций, муниципальных учреждений.
Google создал «кристалл времени», который меняет представление о законах физики
Недавно всемирно известная компания Google заявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл). По словам ученых, его существование уже бросает вызов фундаментальным законам физики.
Стоит обратить внимание на то, что авторы работы (а это более сотни людей ред.) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие наконец официально подтвердят, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
По словам представителей компании, «кристалл времени» удалось создать внутри самого мощного квантового компьютера Google Sycamore.
Что такое такое кристалл времени?
Как известно, теория относительности утверждает, что, кроме трехмерного пространства, во Вселенной есть и четвертое измерение время.
Еще 9 лет назад американский физик, лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться так же в повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в исходное положение.
«Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом вверх. Затем эту коробку хорошенько потрясли, открыли и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перекинулись одинаково: теперь все до единой лежат вверх решкой. Потрясли еще раз опять везде орел, еще опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась сначала и возвращается к нему снова и снова, после каждого парного изменения. А после каждого нечетного изменяет это состояние на противоположное. Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а ее результат повторяется через раз, ученые говорят, что в этом случае нарушена симметрия времени. Именно это определяющее свойство кристалла времени», сказано в сообщении.
Что важно понимать, характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики.
По словам ученых, он может переходить из одного состояния в другое и обратно, не тратя при этом энергию, а это подозрительно напоминает «вечный двигатель», существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке.
Один из авторов работы Сяо Ми обращает внимание на то, что на самом деле эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристалл не годится.
«Хотя кристалл действительно демонстрирует «вечное движение», это движение не производит энергии», отметил исследователь.
Где планирую использовать «кристалл времени»
«Кристаллы времени явление столь удивительное, что заслуживает изучения просто так, без всякой практической цели», отмечают ученые.
Читайте также:
- Астрономы рассказали, что бомбардировало Землю в начале ее зарождения.
- Динозавры начали вымирать до падения астероида — научная теория.
- В NASA «отменили» конец света в 2029 году.
Другие материалы по теме
Google опубликовал гигапиксельные снимки 1848 известных произведений искусства
Всемирно известная компания Google оцифровала 1848 известных произведений искусства, среди которых работы Рафаэля, Ван Гога, Вермеера, Климта и других художников.
Google закроет доступ к своим аккаунтам для старых версий Android
В компании Google приняли решение о блокировании доступа к соответствующим аккаунтов с мобильных устройств, на которых установлено устаревшую версию операционной.
Роботы Boston Dynamics овладели трюками паркура — впечатляющее видео
Компания Boston Dynamics продемонстрировала новые умения человекоподобных роботов Atlas. Роботы-гуманоиды овладели искусством паркура. Они показали на видео, как.
Корейский стартап DeepBrain создает цифровые копии реальных людей
Южнокорейский стартап DeepBrain очень быстро завоевал расположение местного рынка и уже планирует покорять американский. Компания активно занимается разработкой.
Today
Weather Now
Weather Now
Authors
Article Actions
В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи — так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов известным нам фундаментальным законам физики.
Научная статья, написанная при участии исследователей из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов и подробно описывающая технологию создания кристалла, осенью должна быть опубликована в журнале Nature — после того как пройдет положенную проверку научным сообществом.
Авторы работы (а в черновике публикации перечислено больше сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров — настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно, и создан кристалл времени был внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера, Google Sycamore.
Эксперты называют это открытие настолько революционным, что «в полной мере осознать его важность мы пока еще даже не в состоянии».
Так что такое кристалл времени?
Всем известны три основные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить одно в другое при необходимых условиях — давлении и температуре.
Однако этими тремя Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного нам вещества.
За последние сто лет в лабораторных условиях удалось получить сверхтекучие квантовые жидкости (например, жидкий гелий), а также вырожденное вещество, бозе-эйнштейновский конденсат и другие т.д.
Темпоральный кристалл — одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный — будь то драгоценный алмаз или простой лед.
В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл — твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный — так что его структура напоминает скорее кубик Рубика.
В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.
Однако теория относительности утверждает, что, помимо трехмерного пространства, у Вселенной есть и четвертое измерение — время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться точно так же — в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга — но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.
Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом кверху. Потом эту коробку хорошенько потрясли, открыли — и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перевернулись одинаково: теперь все до единой лежат кверху решкой.
Потрясли еще раз — снова везде орел; еще — опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась изначально — и возвращается к нему вновь и вновь, после каждого четного изменения. А после каждого нечетного — меняет это состояние на противоположное.
Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, ученые говорят, что в данном случае нарушена симметрия времени. Именно это — определяющее свойство темпоральных кристаллов.
Монеты в данном случае — это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка — их квантовые состояния, а «потряхивание коробки» — любое периодически повторяющееся воздействие (например, облучение кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории — и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.
И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата были обнаружены неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились — и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени называют революцией в науке?
Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики — во всяком случае так кажется на первый взгляд.
Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии (энергия лазера кристаллу не передается, выступая своеобразным «физическим катализатором») — а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году — «ввиду очевидной невозможности его создания».
Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе — как если бы между ними была какая-то необъяснимая связь, — хотя весь наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.
Всем известно, что разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток — дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который гласит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют «тепловая смерть».
Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, поэтому рано или поздно колебания затухают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякой подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться обратно) бесконечно.
Правда, инженер Google и ведущий автора работы Сяо Ми говорит Русской службе Би-би, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристал не годится.
«Хотя кристал действительно демонстрирует «вечное движение», это движение не производит энергии», — объясняет он.
«На самом деле свидетельства вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, — продолжает физик. — Например, в сверхпроводниках. по которым электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где так же без всякого сопротивления перемещаются атомы гелия. Хотя ни там ни там пространственная симметрия не нарушена — а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают».
Что же касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, раз уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрии относительно сдвига во времени,
«Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять: «тепловой смерти» можно избежать — путем так называемой многочастичной локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется», — говорит Сяо Ми.
Зачем все это нужно?
Теоретическая физика не относится к прикладным наукам — а значит, в ближашее время невероятному открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.
Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шуму (то есть любым воздействиям извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.
Еще одна популярная версия состоит в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.
Однако пока любые версии применения темпоральных кристалов на практике — не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия. Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.
«Кристаллы времени — явление настолько удивительное, что заслуживает изучения само по себе, безо всякой практической цели, — уверяет он. — Нам ведь так мало известно о состояниях, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия».
