Темпоральные кристаллы. Вечный двигатель возможен?!
Давайте начнем с философского вопроса: возможны ли вечные двигатели?
Идеальная картинка: некоторое устройство, которое потребляет меньше энергии, чем производит и при этом совершает работу бесконечно! Но люди, которые интересовались вопросом или помнят школьную физику четко и сразу ответят, что конечно нет. Вечный двигатель невозможен, так как он будет нарушать базовые законы термодинамики!
Ну а можно ли создать систему, которая будет бесконечно делать что-либо без приложенной к нему энергии? И опять же ответ четкий — нет нельзя, потому что опять же нарушаем законы термодинамики! Никакой маятник не будет качаться вечно!
Или все-таки можно?
Можно ли создать такую систему, которая будет идентично повторять саму себя и как бы возвращаться к тому состоянию, в котором она уже была? И причем делать это вечно и самостоятельно. Оказалось, что да! И только что это продемонстрировали не абы кто, а Google!
Сейчас мы вам расскажем, как Google с помощью своего квантового компьютера создали так называемый темпоральный кристалл, который рушит основополагающие физические законы! Его также называют кристаллом времени или Time Crystal. Если хотите узнать что это — устраивайтесь поудобнее.
Введение
Для начала надо понять, при чем тут кристалл и почему он темпоральный! Приготовьтесь, сейчас будет немного теории, но мы, как всегда, постарались объяснить все просто и интересно!
Вы знаете, что есть несколько возможных агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое вещество и плазма! Это четыре основных состояния любого вещества во вселенной, но на самом деле их чуть больше. Есть экзотические состояния, которые проявляются, к примеру только при очень низких температурах — например, сверхтекучесть, когда жидкость может течь без сопротивления, и может сама вытекать из колбы просто по стенкам, или Конденсат Бозе — Эйнштейна.
На самом деле ученые определяют больше состояний.
Все эти состояния вещества имеют определенные свойства. В газе, например, атомы и молекулы хаотично заполняют собой весь объем и не связаны друг с другом.
У твердого тела же возможны два различных состояния — аморфное, когда тело сохраняет свою форму и объем, при этом атомы в самом теле расположены практически как угодно. А второе состояние — кристаллическое. Тут то все и становится интересно.
Кристаллическое состояние — это такое состояние твердого тела, при котором атомы располагаются в строго заданных местах. Для твердого тела — это стабильное состояние! То есть твердые тела стремятся к порядку: к тому, чтобы все атомы располагались в своих местах.
При кристаллическом состоянии атомы находятся в узлах решетки, в строго определенном местоположении, и таким образом создают трехмерную структуру.
Представьте себе Кубик Рубика, где все клеточки одного цвета. Вот вы смотрите на одну из граней такого кубика и все девять клеточек расположены в определенных позициях. И вы начинаете его медленно вращать!
При этом для вас, как для наблюдателя, картинка меняется, вы уже начинаете смотреть сразу на 18 клеточек, потому что начинаете видеть другую грань. И так происходит пока вы не повернете его на 90 градусов. В этот момент кубик для вас будет точно таким же как когда вы начали его вращать! Это называется пространственной вращательной симметрией. Есть и другие типы пространственной симметрии, когда вы смещаете кубик в определенные стороны.
Все типы идеальных кристаллических решеток имеют такие пространственные симметрии! При этом природа кристаллов очень красивая и таких трехмерных структур ограниченное количество.
Все кристаллические структуры могут описываться всего четырнадцатью, так называемыми, решетками Бравэ! Это теоретическая группа, которая описывает все трехмерные кристаллические решетки.
Пространство и время
И вот в 2012 году, нобелевский лауреат по физике Франк Вильчек выдвинул теорию о том, что можно создать такой тип материала, который бы повторял себя не в пространстве, а во времени! То есть обладал бы временной симметрией, где через определенные промежутки времени материя возвращалась бы в определенное состояние, в котором она уже была до этого!
Если взять пример вам можете показаться что в этом нет ничего интересного. Самое простое — взять монетку: повернул орлом, потом повернул решкой, потом обратно. И так далее — вот тебе и временная симметрия! И вы частично будете правы!
Но есть одно но… Помните, что я сказал, что кристаллическое состояние — это состояние с наименьшей энергией, так вот тут тоже самое. Во временных, или правильнее будет сказать темпоральных кристаллах, система находится в стабильном состоянии — то есть в состоянии с наименьшей энергией и система эта не взаимодействует и не получает энергию извне. Если совсем просто — сам кристалл не требует энергии вообще… Не считая, что нужно поддерживать определенные условия вокруг! То есть это система, которая также как кристалл в пространстве, меняется но только во времени и при этом не затрачивая энергии!
Представьте себе коробку с монетами, где каждая монетка смотрит орлом вверх, потом вы ее закрыли, открыли, а они уже смотрят решкой вверх. И так далее. Идеальное, бесконечное, повторяющееся изменение!
С тех пор было много дискуссий, в которых ученые пытались понять — возможны ли такие кристаллы в принципе. Дискуссия была оживленной, были доказательства как с одной, так и с другой стороны!
Google и темпоральный кристалл
Но вот тут то и наступает 2021 год, что по меркам фундаментальной науки очень короткий срок. Всего через 9 лет команда, которая работает на квантовом компьютере Google Sycamore вместе с кучей ученых из Стэнфорда, Принстона, MIT и других университетов, выпустили статью в Arxiv, и уже отправили ее на рецензию в один из самых престижных журналов Nature. В ней они говорят, что впервые был получен настоящий темпоральный кристалл, то есть такая система кубитов, которая меняется с определенной периодичностью во времени.
Как же они это сделали?
В их квантовом компьютере они использовали специальную двумерную сетку из 8, 12, 16 и 20 кубитов. Увеличивая количество кубитов они усложняли структуру пытаясь понять стабильность системы.
В общем, к системе из кубитов подавались импульсы, которые начинали переворачивать спины кубитов вверх и вниз. И этот начальный импульс фактически не является передачей энергии, так как даже изменяя частоту импульса или вообще убирая его, кристалл продолжает меняться с определенной периодичностью и если сохранять определенные состояния окружающей среды, то система может делать так бесконечно!
И вот тут то начинается самое интересное! Как раз это и нарушает Второй закон термодинамики, который гласит, что любая система стремиться к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют «тепловой смертью». А тут система находится в покое и при этом продолжает постоянно меняться!
Давайте еще раз проговорим, система возвращается в абсолютно исходное состояние, потом снова переходит в другое, и потом обратно! И так она может прыгать бесконечно долго!
И это, мягко говоря удивляет, поэтому в своей статье ученые сами говорят, что пока что не особо понимают действительно ли это настоящий темпоральный кристалл и призывают научное сообщество к дискуссии!
А что дальше?
Ну и что дальше с этим всем делать? Зачем нужен этот кристалл и что вообще это открытие дает? Ну, во-первых, это просто очень круто! Только подумайте — фактически реализована система, нарушающая один из основополагающих законов природы. Вечный двигатель, не иначе! Хотя конечно же это не совсем двигатель, так как такой кристалл не производит энергии.
Во-вторых, как и с многими фундаментальными исследованиями, важность такого открытия, если конечно его подтвердят и повторят другие научные группы, может стать нам ясна через много лет! Просто мы сами еще не понимаем насколько это важное открытие.
Ну и наконец, в-третьих. Уже высказываются предположения, что такие кристаллы могут стать основой для памяти для квантовых компьютеров. Напомним, что у квантовых компьютеров сейчас нет как таковой памяти или накопителя. Квантовые компьютеры для каждой задачи каждый раз программируются заново так как кубиты очень нестабильны и не могут долго сохранять свое квантовое состояние. Ну а темпоральные кристаллы из-за своей идеальной периодичности и повторяемости позволяют создать на их основе гироскопы или сверхточные часы!
Post Views: 244