Фізики із Шанхайського університету Цзяо-Тун зробили щось дивне.
Вони створили настільний кристал простору-часу. А потім спостерігали, як він тане.
І ось результат: простір та час руйнуються незалежно один від одного.
Зазвичай ми вважаємо плавлення процесом простим. Тверде тіло перетворюється на рідке. Ентропія перемагає. Порядок вмирає.
Цей матеріал із цим не згоден.
В екзотичному стані, відомому як кристал простору-часу, час і простір можуть плавитися окремо. Результати дослідження, опубліковані в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences, надають рідкісну можливість побачити, як ця незвичайна матерія розпадається.
Почнемо з визначення. Зазвичай “кристал” означає атоми, розташовані в тривимірній решітці. Патерни, що повторюються. Ідеальний порядок.
Кристал простору-часу додає до цього рівняння час.
Структура повторюється як у просторі, і у часі. Атоми коливаються із стійким, повторюваним ритмом. Цикл повторюється знову і знову.
Створити їх важко. Зберегти їхню стабільність ще складніше. Квантові версії є величезні технічні виклики. Тому команда звернулася до класичного аналогу.
Уявіть пластину Хладні. Ви вібрацією поверхні задаєте частоту 100 герц. Пісчинки починають танцювати та осідають у вузлах.
Але в цьому експерименті пісок замінено на крихітні пластикові диски. Кожен диск має шість загнутих штирьків. Вони хаотично тремтять на платформі, що вібрує. Випадкові поштовхи від рушійної сили.
Без рівних ліній.
Якщо, звісно, не насипати достатньо дисків.
Тоді стається магія.
Сотні дисків спонтанно організовуються у трикутну решітку. Уся група обертається як єдине ціле. Один повний оборот займає п’ять годин.
Цей синхронізований рух виживає навіть за наявності шуму. Воно триває майже добу.
Ключовий момент полягає в тому, що цей п’ятигодинний спин відрізняється від 100-герцової частоти приводу. Привід лише подає енергію. Довгоперіодні коливання виникають власними силами.
Щоб побачити, що відбувається, коли порядок дає збій, дослідники видалили частину дисків. Вони зменшили щільність упаковки. Вони примусово спричинили плавлення.
Процес не просто загас. Він поступово не перейшов у хаос.
Процес плавлення кристала простору-часу розвинувся у три окремих фази.
- Локально порушується синхронізація часу. Ділянки кристала втрачають ритм. Решта продовжує рухатися.
- Ритм повністю руйнується. Тимчасовий порядок зникає. Проте кристал зберігає свою просторову форму. Простір та час роз’єднуються.
- Ріші колапсують. Фізична структура розпадається. Матеріал стає схожим на невпорядковану рідину.
За цим стоять два різні фізичні процеси.
Втрата тимчасового порядку спричинена ослабленням взаємодії частинок. Сам колапс кристала відбувається через поширення дефектів через ґрати.
Чому це важливо?
Тому що правила, які керують порядком у часі, відрізняються від правил, які керують порядком у просторі.
“Наші експериментальні результати виявляють складний триетапний сценарій плавлення”, – написали дослідники. Вони зазначили, що просторова та тимчасова симетрії руйнуються за різних критичних значень. Через різні механізми. Вони діють незалежно.
Це не означає, що всі кристали простору-часу поводяться так само. Квантові системи можуть відрізнятись.
Але експеримент доводить, що простір і час можуть роз’єднуватися під час фазового переходу.
Це відкриває нові шляхи вивчення складного порушення симетрії в класичних системах. Екзотичні нерівноважні фази перестали бути просто теорією. Їх можна побачити. Навіть якщо лише кілька годин, на столі, що вібрує, в Китаї.
