Вечный двигатель, не нарушающий законов физики: как учёные создали кристаллы времени
Маятник рано или поздно останавливается. Кофе остывает. Любое движение требует энергии — эти утверждения кажутся неопровержимыми. Но в 2021 году физики из Google, Стэнфорда и Принстона создали объект, который движется бесконечно в состоянии минимальной энергии — и при этом не нарушает второго начала термодинамики. Физики назвали его кристаллом времени — рассказываем, что представляет собой этот объект и как он вообще может существовать.
Безумная идея нобелевского лауреата
В 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек опубликовал работу, которая начиналась с простого вопроса. Обычные кристаллы — алмаз, соль, кварц — это вещества, в которых атомы упорядочены в пространстве: они занимают определённые позиции в решётке и никуда не смещаются. Вильчек спросил: а могут ли существовать кристаллы, упорядоченные не в пространстве, а во времени?
Это не игра слов. Пространственный кристалл нарушает пространственную симметрию: в отличие от газа, где атом может оказаться где угодно, в кристалле он занимает строго определённое место. Вильчек предположил, что по аналогии можно создать систему, которая нарушает временну́ю симметрию: её физические свойства будут периодически меняться даже без внешнего воздействия, сами по себе.
Кристаллическая решётка алмаза
Вильчек предложил модель квантового кольца, в котором частицы в основном состоянии — при минимально возможной энергии — спонтанно начинают вращаться, совершая вечный круговорот. Это движение не связано ни с теплом, ни с потерями. Система просто находится в таком состоянии, которое «предпочитает» быть динамичным, а не неподвижным.
Почему это почти сразу «запретили»
Гипотеза Вильчека немедленно вызвала возражения. В 2013 году физик Патрик Бруно показал, что вращающееся состояние из модели Вильчека не может быть истинным основным состоянием: для любого кольца частиц всегда найдётся статичное состояние с ещё более низкой энергией. Осциллирующее состояние получалось нестабильным — а значит, никакой кристалл не получится.
В 2015 году Харуки Ватанабэ и Масаки Осикавы поставили в этом вопросе математическую точку. Они доказали так называемую no-go-теорему: в любой системе с короткодействующими взаимодействиями, которая находится в равновесии — либо в основном состоянии, либо при конечной температуре, — любые незатухающие осцилляции в термодинамическом пределе исчезают. Проще говоря: кристалл времени в равновесном состоянии невозможен.
Казалось бы, история закончилась, не успев начаться. Но физики нашли лазейку.
Системы вне равновесия
Теорема Ватанабэ — Осикавы запрещает кристаллы времени в равновесии. Но что, если взять систему, которая никогда в него не приходит? В 2016 году сразу несколько научных групп предложили концепцию дискретных кристаллов времени.
Идея в том, чтобы взять квантовую систему и воздействовать на неё периодическими импульсами, например лазерными вспышками. Сам по себе этот периодический «пинок» нарушает непрерывную временну́ю симметрию: система уже не одинакова в любой момент, а только через промежутки. Но если система спонтанно начинает реагировать не с тем же периодом, а вдвое медленнее, чем её «толкают», — это и есть кристалл времени. Система сама устанавливает свой ритм.
Иллюстрация принципа работы кристалла времени
Чтобы это явление было настоящей фазой материи, а не случайным совпадением, нужны три условия. Первое — система должна реагировать на импульсы извне по собственному ритму. Второе — если слегка изменить частоту лазера, система всё равно будет колебаться ровно в два раза реже, не сбиваясь. Третье — система не должна поглощать энергию от лазера и разогреваться.
Эксперимент Google: 20 кубитов и один сюрприз
В 2021 году коллаборация учёных из Google Quantum AI, Стэнфордского и Принстонского университетов создала дискретный кристалл времени на квантовом процессоре Sycamore.
Эксперимент строился на цепочке из 20 сверхпроводящих кубитов. Ключевой момент: учёные намеренно делали лазерный «пинок» несовершенным — с небольшой ошибкой. В обычной системе такая ошибка быстро накапливается, ритм сбивается, и кристалл рассыпается.
Но в эксперименте Google этого не произошло. Вместо разрушения система начала вести себя как кристалл времени: кубиты синхронно переворачивались ровно каждые два цикла лазера, игнорируя ошибки. Внутренние взаимодействия коллективно «исправляли» несовершенство импульсов.
Квантовый процессор Sycamore
Google были не одни. Практически одновременно кристаллы времени появились на совершенно других физических платформах — и это стало важным подтверждением: перед учёными не специфика одного устройства, а настоящая фаза материи.
Почему это не вечный двигатель
Если кристалл времени вечно находится в движении, разве нельзя считать его вечным двигателем? Увы, но нет. Но чтобы понять почему, нужно разобраться, что именно запрещают законы термодинамики.
Первый закон запрещает создавать энергию из ничего. Кристалл времени не создаёт энергию: его движение происходит в состоянии с минимально возможной энергией — ниже просто некуда. Система уже на дне энергетического колодца. Второй закон запрещает уменьшать энтропию в изолированной системе. В кристалле времени энтропия не уменьшается — она зафиксирована и никак не меняется.
Настоящий вечный двигатель должен совершать работу: поднимать грузы, крутить генераторы, заряжать батарейки. Для этого нужно передать часть энергии системы наружу. Но кристалл времени уже находится на своём энергетическом минимуме — передавать нечего. Любая попытка «подключиться» к нему и извлечь работу мгновенно разрушит всю структуру кристалла.
Электрон, вращающийся вокруг ядра атома, тоже «движется вечно», но вы не можете использовать это движение для зарядки телефона. Кристалл времени — те же «вечные часы»: на них можно смотреть, но нельзя заставить крутить мельницу. Как только вы пытаетесь подключить нагрузку — часы останавливаются.
Квантовая память и часы
Практическая ценность кристаллов времени лежит в двух областях: хранение квантовой информации и сверхточное измерение времени.
Главный враг квантовых компьютеров — декогеренция. Малейший тепловой толчок, электромагнитный импульс или просто время — и кубит выходит из суперпозиции. Современные квантовые компьютеры вынуждены работать при температурах около 0,01 кельвина (примерно в сто раз холоднее открытого космоса) и постоянно исправлять ошибки с помощью дополнительных кубитов. Это дорого, громоздко и ненадёжно.
Кристаллы времени предлагают иной подход. Такая система обладает встроенным иммунитетом к внешним возмущениям: взаимодействия между кубитами коллективно удерживают систему в правильном ритме. Исследования топологически упорядоченных кристаллов времени показывают, что можно создать квантовую память, в которой информация хранится не в отдельных кубитах, а в глобальных свойствах всей системы — это делает её намного устойчивее к ошибкам.
Вторая область применения — атомные часы. Точность навигации GPS и ГЛОНАСС напрямую зависит от стабильности часов на борту спутников. Свет проходит 30 сантиметров за одну наносекунду. Ошибка в одну наносекунду — это уже 30 сантиметров погрешности в координатах. Для беспилотных автомобилей или точного земледелия это критично.
Частота кристалла времени определяется фундаментальными квантовыми взаимодействиями — она не зависит от температуры окружающей среды или магнитного поля. По прогнозам, применение кристаллов времени в оптических атомных часах позволит выйти на стабильность около 10⁻¹⁹ и выше. Это соответствует определению координат с точностью до миллиметра в любой точке Земли. Такие часы будут чувствительны даже к гравитационному замедлению времени при изменении высоты на несколько сантиметров — а это открывает новые возможности для геодезии и поиска полезных ископаемых.
В итоге
История кристаллов времени прошла путь от запрещённой гипотезы до подтверждённой фазы материи за десять лет. В 2012-м Вильчек предложил идею, которую тут же опровергли. В следующие несколько лет физики смогли создать множество систем, ведущих себя как кристаллы времени, а в 2026-м физики впервые создали кристалл времени, который можно увидеть невооружённым глазом.
Для квантовых технологий это означает реальный путь к памяти, которая не стирается сама по себе, и к часам, которые не накапливают ошибок. Для фундаментальной физики — это доказательство, что интуитивное представление учёных о покое и движении было слишком наивным и простым. Под поверхностью термодинамического равновесия скрывается целый мир динамической стабильности. И наука только начинает в нём разбираться.