Левитирующий кристалл нарушил третий закон Ньютона: частицы перестали "отвечать" друг другу

Учёные создали левитирующий временной кристалл, частицы которого взаимодействуют необычным образом — без привычного баланса сил. Эксперимент показал, что система может нарушать принцип взаимности, лежащий в основе третьего закона Ньютона. Новая установка оказалась при этом удивительно простой. Об этом сообщает Inovação Tecnológica.

Кристалл, который повторяется во времени

Обычные кристаллы имеют строгую периодическую структуру в пространстве: их атомы выстроены в повторяющиеся геометрические узоры. Временные кристаллы устроены иначе — их структура повторяется не в пространстве, а во времени. Они постоянно перестраиваются, демонстрируя устойчивые ритмические колебания.

Команда из Нью-Йоркского университета под руководством Мии Моррелл предложила нестандартный подход: вместо атомов использовать миллиметровые сферы из пенополистирола. Их удалось удерживать в воздухе с помощью акустической левитации — технологии, при которой стоячие звуковые волны создают своего рода "звуковую подушку".

"Звуковые волны воздействуют на частицы, так же как волны на поверхности озера могут воздействовать на плавающий лист, — объяснил Моррелл. - Мы можем левитировать объекты против гравитации, погружая их в звуковое поле, называемое стоячей волной".

Сферы, находясь в этом поле, начинают взаимодействовать через отражённые звуковые волны и формируют устойчивую периодическую динамику — временной кристалл.

Нарушение взаимности

Главная особенность системы связана с тем, как частицы влияют друг на друга. Более крупные сферы рассеивают больше звуковой энергии, чем мелкие. В результате большая частица воздействует на маленькую сильнее, чем маленькая — на большую.

Такое взаимодействие называется невзаимным. Оно не соответствует классическому третьему закону Ньютона, согласно которому любому действию соответствует равное и противоположное противодействие.

В данном случае силы не образуют симметричных пар. Частицы движутся несбалансированно, а система в целом поддерживает устойчивый ритм за счёт временной периодичности.

Простая система — широкие перспективы

Экспериментальное устройство работает на частотах, недоступных человеческому слуху, и может быть воспроизведено в лабораторных условиях. Это делает модель удобной для дальнейших исследований.

"Временные кристаллы увлекательны не только своими возможностями, но и потому, что кажутся такими экзотическими и сложными, — сказал профессор Дэвид Гриер. - Наша система удивительна тем, что она невероятно проста".

Исследователи проводят аналогии с биологическими системами. Некоторые биохимические процессы, включая циркадные ритмы, также основаны на невзаимных взаимодействиях. Подобные модели могут помочь лучше понять поведение сложных сетей — от клеточных механизмов до коллективной динамики в физике мягкой материи.