Представьте себе кристалл, который упорядочен не только в пространстве, но и во времени. Его атомы образуют повторяющуюся решетку, которая еще и пульсирует в устойчивом ритме. Физики из Шанхайского университета впервые наблюдали, как такой кристалл плавится, и обнаружили, что этот процесс происходит не так, как у обычных твердых тел, а в три совершенно разные стадии. Китайские ученые доказали, что временной порядок разрушается задолго до того, как теряется пространственная симметрия. Это означает, что время и пространство могут «таять» отдельно друг от друга, подчиняясь разным физическим механизмам.
Классическая модель вместо квантовой
Вместо того чтобы пытаться создавать квантовый кристалл времени, который невероятно трудно построить и удержать в стабильном состоянии, исследователи использовали классическую механическую модель — плоскую поверхность, вибрирующую с частотой 100 герц, на которую они поместили сотни крошечных пластиковых дисков с шестью угловатыми ножками. Когда диски сталкивались с вибрирующей пластиной, они получали случайные импульсы, и это должно было привести к хаотическому движению. Однако при достаточной плотности диски самопроизвольно организовывались в треугольную кристаллическую решетку, которая начинала вращаться как единое твердое тело с периодом около пяти часов. Это вращение было поразительно стабильным и не зависело от внешней вибрации, создавая таким образом долгопериодический ритм, который и делал эту систему классическим аналогом пространственно-временного кристалла.
Три стадии плавления
Чтобы спровоцировать плавление, ученые начали удалять часть дисков, уменьшая плотность системы. Вместо того чтобы постепенно прийти в исходный хаос, кристалл расплавился в три четких этапа: сначала синхронизированный ритм начал сбиваться в отдельных местах, но решетка в целом сохраняла свой порядок, затем временное упорядочение полностью рухнуло, хотя пространственная структура еще держалась, и только на финальной стадии распалась и сама кристаллическая решетка, превратившись в неупорядоченную жидкость.
Два разных механизма разрушения
Исследователи выяснили, что потеря временного порядка связана с ослаблением взаимодействий между частицами, тогда как разрушение пространственной структуры происходит из-за распространения дефектов по решетке. Это четкое различие между двумя механизмами показывает, что правила, управляющие порядком во времени, фундаментально отличаются от правил, управляющих порядком в пространстве, что подтверждает теоретические предсказания о независимости этих двух симметрий даже в процессе разрушения.
Значение открытия
Хотя эта модель далека от квантовых систем, где пространственно-временные кристаллы были впервые предсказаны, она показывает, что принципы нарушения симметрии могут проявляться удивительно единообразно на разных масштабах. Наблюдение трех стадий плавления в классической системе позволяет предположить, что подобные процессы могут происходить и в других системах, включая квантовые. Это открытие может иметь значение для понимания того, как ведут себя сложные системы вдали от равновесия, и для разработки новых материалов с заданными свойствами, включая способность сохранять порядок во времени. Вопрос о том, можно ли создать устойчивый кристалл времени в квантовой системе, и как именно он будет плавиться, остается открытым для будущих исследований.
