Какво би станало, ако времето можеше да се вижда? Физици показаха времеви кристал, който може да се наблюдава с обикновен микроскоп

Представете си един обикновен кристал. Сол, диамант, снежинка. Неговата същност е редът. Атомите са подредени в строга, повтаряща се решетка. Този модел разчупва хомогенността на пространството: тук – атом, а тук, до него – вече е празно. Физиците казват, че кристалът спонтанно нарушава пространствената симетрия.

Това е позната идея. Ние живеем сред такива кристали.

Сега си задайте следния въпрос: бихме ли могли да създадем структура, която да нарушава симетрията на времето по същия спонтанен начин? Материал, който периодично ще се променя, ще пулсира, ще се развива по вътрешен цикъл без външен часовник или каквото и да било външно периодично влияние.

Това е времевият кристал. Концепцията, която преди десет години изглеждаше като научна фантастика, днес придобива реални характеристики. И то не в екзотични квантови системи при свръхниски температури, а в субстанция, която може да бъде разгледана с помощта на обикновен микроскоп.

Какво всъщност е времевият кристал?

За да разберем същността на този научен пробив, трябва да разберем един фундаментален принцип: симетрията на времевото изместване. Той гласи, че законите на физиката не се променят с времето. Един експеримент, проведен днес, утре ще даде същите резултати. Повечето системи в равновесие се подчиняват на това правило. Една чаша с охлаждащ се чай няма да започне внезапно да се нагрява и охлажда спонтанно в цикъл.

Времевият кристал е състояние на материята, което нарушава тази симетрия. Спонтанно. Той преминава в състояние със собствена вътрешна периодичност, необвързана с никакъв външен ритъм.

Важно е да се разбере: не става дума за махало или електронен часовник. Махалото се бута от нас, докато часовникът се захранва от батерия. Техният ритъм е резултат от външно въздействие. Времевият кристал генерира своя ритъм отвътре, като самоорганизираща се система.

Доскоро подобни структури бяха наблюдавани само в сложни квантови системи. Но едно скорошно изследване показва, че е възможно да се отиде по-далеч и да се създаде кристал, който едновременно нарушава симетрията в пространството и времето. Казано по-просто, възможно е да се създаде подредена структура, която същевременно ритмично пулсира.

Рецепта за четири измерения: светлина, боя и течен кристал

И така, как да накараме материята да се държи по този начин? Оказва се, че няма нужда от ускорители на частици или криогенни съоръжения. Необходими са три компонента:

• Нематичен течен кристал. Това е вещество, чиито молекули са издължени и са склонни да се ориентират в една посока, но остават подвижни. Срещаме ги всеки ден в екраните на смартфоните и мониторите.
• Фоточувствително багрило. Специално вещество (азобензен), чиито молекули променят ориентацията си, когато са изложени на светлина с определена поляризация.
• Постоянна, немигаща светлина. Това е ключовият момент. Системата не получава никакъв външен ритъм. Източникът на енергия е постоянен и равномерен.

Самият експеримент изглежда много елегантен. Тънък слой течен кристал се поставя между две стъклени плочи, покрити с една и съща боя. След това към тази конструкция се насочва постоянна поляризирана светлина. И тогава започва най-интересното – започва верижна реакция.

Светлината, преминаваща през горната плоча, кара молекулите на багрилото върху нея да се подредят по определен начин. Тези молекули на свой ред определят ориентацията на съседните молекули на течния кристал. Този ред се предава през цялата дебелина на кристала към долната плоча.

Но преминавайки през слоя от течни кристали, самата светлина променя своята поляризация. В този момент тя попада върху долната плоча по различен начин. Тази променена светлина кара молекулите на багрилото върху долната плоча да се въртят по различен начин. Това ново завъртане предизвиква вълна от промени обратно през целия течен кристал към горната плоча.

Получава се непрекъснат цикъл на обратна връзка. Системата не може да намери стабилно състояние на покой и вместо това навлиза в режим на постоянни, ритмични колебания. На микроскопично ниво това прилича на бягащи ивици – пространствен модел, който се движи и променя с ясна периодичност.

Това е пространствено-времевият кристал. Неговите градивни елементи не са атоми, а стабилни структурни дефекти в ориентацията на молекулите, които физиците наричат топологични солитони. Тези дефекти се държат като частици: те си взаимодействат, подреждат се в решетка и всички заедно „дишат“ в един ритъм.

Защо това не са просто красиви преливания?

Звучи логично, но къде са доказателствата, че това е истински времеви кристал, а не просто сложен оптичен ефект? Съществуват два строги критерия за идентифициране на тези системи. И тази система преминава и през двата.

1. Спонтанно нарушаване на симетрията. За да докажат, че ритъмът на кристала е негово вътрешно свойство, а не скрит ефект на източника на светлина, учените провеждат прост тест. Те блокирали светлината за известно време, като позволили на системата да „забрави“ състоянието си. След това отново включили светлината. Всеки път полученият модел от ивици започвал движението си с произволна фаза. Той не се опитва да „продължи“ от мястото, където е спрял. Това доказва, че системата сама избира началната точка на своя цикъл, а не се подчинява на външен сигнал.

2. Устойчивост и „твърдост“. обикновеният кристал е твърд. Неговата решетка е трудно да се разруши. Един пространствено-времеви кристал трябва да има „твърдост“ във времето. За да проверят това, изследователите въведоха хаос в системата: накараха интензитета на светлината да се променя произволно. Въпреки тези смущения кристалът запазва своята периодичност. Нещо повече, дори когато в структурата се появявали дефекти – „дислокации“ в пространство-времето – системата в крайна сметка се самовъзстановявала, връщайки се към идеалния си ритъм.

От физиката към технологиите

Появата на подобен контролируем и стабилен времеви кристал при стайна температура не е просто задоволяване на научното любопитство. То отваря вратата към изцяло нови технологии.

• Динамична оптика. Възможно е да се създадат лещи или дифракционни решетки, чиито параметри се променят във времето с дадена честота, което ще позволи да се манипулират светлинните лъчи по невиждани досега начини.
• Борба с фалшифицирането. Подобен кристал може да се използва като „времеви воден знак“. За разлика от статичното изображение, той не може да бъде копиран, защото автентичността му се определя от неговия уникален, жив ритъм.
• Пренос на информация. Светлината, преминаваща през подобен кристал, се модулира от неговата структура. Това открива възможност за кодиране на информация не само в пространствените характеристики на лъча, но и във времевата му динамика.

Свикнали сме да мислим за материалите като за нещо статично. Но тази работа показва, че материята може да има свое собствено вътрешно време, своя собствена пулсация. Ние сме на прага на ера, в която ще бъде възможно да се проектират материали, които не просто съществуват, а живеят – структурирани и действащи в четири измерения.

Доскоро времевият кристал беше само чисто теоретична концепция от квантовата физика. Той е състояние на материята, което се повтаря в пространството и времето. Ето че сега учените успяха да създадат и, което е по-важно, да наблюдават такъв кристал с обикновен микроскоп. Това е научен пробив, който може да ни помогне да разберем по-добре природата на времето, както и да се създадат съвсем нов вид материали с непознати досега свойства.