Физики создали кристалл времени и научили его танцевать
В октябре 2026 года физики из шести университетов Европы совершили то, что еще недавно казалось возможным только в квантовой лаборатории. Они создали материал, который без всякого центрального управления и без внешнего задающего ритма начинает двигаться согласованно – сначала хаотично, а затем всё более синхронно, пока вся структура не начинает пульсировать в едином ритме. В физике такое состояние называют кристаллом времени.
Что такое кристалл времени
Обычные кристаллы: соль, кварц, алмаз – устроены так, что их атомы повторяются в пространстве с регулярным интервалом. Это «пространственные» кристаллы. В 2012 году нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек предложил идею кристалла времени: состояния материи, в котором регулярность проявляется не в пространстве, а во времени. Система должна циклически повторять свое состояние через равные промежутки времени, причем без внешнего периодического воздействия.
Долгое время такие кристаллы удавалось получать только в квантовых системах. Для этого требовались сложные лабораторные установки, глубокий вакуум и температуры, близкие к абсолютному нулю, при которых физики управляли спинами отдельных охлажденных ионов или ядер. Европейские исследователи перенесли этот принцип на макроскопический уровень. Роль «частиц» в их материале играют не атомы, а простые роботизированные модули.
Исследование опубликовано в журнале Nature. В нем участвовали физики и инженеры из Кембриджа, Бирмингема, Амстердама, Лиона, Делфта и Лейдена. Руководила работой группа под руководством доктора Корентена Куле из Амстердамского университета.
Ученые построили два типа метаматериала. Первый – двумерная структура в форме пчелиных сот из 37 активных ячеек. Второй – упругое кольцо с 24 моторизованными блоками. Каждый блок содержал эластичную конструкцию, датчик, электронику и исполнительный механизм. Соседние элементы могли влиять друг на друга.
Когда материал включали и подавали энергию, отдельные ячейки начинали колебаться сами по себе, примерно на частоте 30 Гц. Сначала эти колебания были короткими и локальными, как рябь на воде. Но затем запускался процесс, который авторы назвали «укрупнением волн».
Короткие волны постепенно поглощались более длинными. Длина волны росла, период становился медленнее, амплитуда увеличивалась. В конце концов вся структура переходила в единое глобальное колебание. В двумерной решетке это выглядело как пульсация всей поверхности. В кольце быстрые деформации постепенно объединялись в один медленный коллективный цикл.
«Как музыканты, которые постепенно находят один и тот же ритм, отдельные части активного материала организуют свое движение, пока вся структура не начинает двигаться вместе», – объясняет соавтор работы Джек Биниш из Бирмингемского университета.
Зачем это нужно: роботы без центрального управления
Просто повторяющегося движения недостаточно, чтобы назвать систему кристаллом времени. Он должен сохранять свой ритм, даже когда что-то его нарушает.
Эксперименты и математическая модель показали: при увеличении размера материала случайные помехи не разрушают коллективный порядок. Повторяющийся паттерн остается стабильным. Именно эта устойчивость и превращает систему в настоящий кристалл времени.
Главная практическая ценность открытия связана с проблемой, которая давно мучает робототехников. Современные роботы, как правило, управляются центральным процессором: он непрерывно вычисляет, какой мотор с какой скоростью должен вращаться в каждый момент. Это работает для жесткой руки с десятком суставов. Но когда конструкция состоит из сотен гибких подвижных элементов, вычислительная нагрузка становится критической. Сигналы запаздывают, и система теряет устойчивость.
Открытие европейских физиков предлагает принципиально иной подход – распределенная координация. Вместо того чтобы управлять каждым элементом из центра, исследователи закладывают правила взаимодействия прямо в структуру.
Следующая цель исследовательской группы – создание трехмерных активных метаматериалов. Такие конструкции смогут целенаправленно изгибаться во всех плоскостях, проникать в труднодоступные пространства через узкие извилистые каналы и транспортировать грузы внутри своего объема без использования классических шарниров, поршней или колес.
Но главное – разработка европейских ученых демонстрирует изменение базового подхода к созданию роботов. И теоретическую возможность создания автономных систем без центрального процессора и сложного программного обеспечения.
По материалу ixbt.com