Фізики теоретично довели існування рідини часу як стану матерії

Уявіть кубик льоду: його молекули води розташовані в чіткій гексагональній решітці. Коли лід тане, ця впорядкованість зникає, але навіть у рідкому стані молекули зберігають певну структуру на коротких відстанях. Група фізиків на чолі з Цзуо Ваном та Маріосом Майклом із Інституту Макса Планка з фізики складних систем у Німеччині запитала: а що, якби щось подібне могло відбуватися не в просторі, а в часі?

Відповіддю на це запитання стала теоретична концепція так званої рідини часу. Щоб зрозуміти, що це таке, спочатку потрібно розібратися з кристалами часу. Якщо звичайний кристал повторює свою структуру в просторі, кристал часу повторює певну поведінку в часі. Зокрема, дискретний кристал часу осцилює під дією зовнішнього джерела, наприклад лазера, але з іншою частотою — скажімо, один удар кристала на кожні два удари джерела. Ця часова структура надзвичайно стійка до невеликих збурень.

Дослідників зацікавило питання: що станеться, якщо саме зовнішнє збудження буде нестабільним і хаотичним? Щоб змоделювати це, вчені побудували теоретичну систему з двовимірної решітки спінів — своєрідного листа з крихітними магнітними стрілками, як стрілки компасів. Цю решітку вони помістили в електромагнітну порожнину, схожу на дзвін. Замість того щоб вдаряти по дзвону, його «нагрівали»: теплові флуктуації змушували електромагнітне поле коливатися, а ті коливання, своєю чергою, впливали на спіни.

Результати комп’ютерного моделювання виявилися несподіваними. За певних умов спіни починали осцилювати з половиною частоти порожнини, попри те, що збудження було хаотичним. Однак, на відміну від класичного кристала часу, спіни час від часу збивалися з ритму, перемикаючись між двома рівноцінними версіями свого паттерну. Дослідники назвали ці збої часовими солітонами — дефектами, що руйнують далекосяжну часову впорядкованість, але не знищують базовий ритм.

Саме тут і виникає аналогія з рідиною. Так само як рідка вода зберігає певну локальну структуру навіть після руйнування кристалічної решітки, змодельовані спіни зберігали короткосяжний часовий порядок навіть після зникнення далекосяжної когерентності. Цей стан учені й назвали дискретною рідиною часу.

Один із найдивніших висновків дослідження полягає в тому, що теплові флуктуації не просто заважали впорядкованості, а й були її причиною. При низьких температурах флуктуації були надто слабкими, щоб породити повторюваний паттерн. При помірних — спіни входили в ритм. При високих — порядок знову розпадався. Це означає, що додавання тепла здатне створювати порядок, але лише до певної межі.

Практичний інтерес до цього явища пов’язаний зі симетрією часового зсуву — фундаментальним принципом фізики, згідно з яким закони природи однакові в будь-який момент часу. Кристал часу порушує цю симетрію, а рідина часу, завдяки спонтанним перемиканням між паттернами, може в середньому відновлювати її. Це відкриває можливість існування рідини часу навіть у тепловій рівновазі, де звичайні кристали часу утворюватися не можуть. Поки що все це залишається теорією: дослідження ще не пройшло рецензування та опубліковане на препринт-сервері arX­iv, однак автори окреслили шляхи до можливої експериментальної перевірки.