Прежде чем вы спросите – нет, мы не можем использовать стекло для создания машины времени.
Направление времени кажется довольно очевидным: оно идет от прошлого к будущему, хотя причина, по которой это происходит, неясна. Эта стрела времени связана с энтропией – мерой беспорядка системы. С течением времени в изолированной системе энтропия всегда возрастает. Этот процесс необратим. Это относится и к старению всего сущего, и к яйцу, скатывающемуся с прилавка и разбивающемуся на части.
Говоря научным языком, можно сказать, что время – это свойство второго закона термодинамики – тенденция изолированных систем быть более неупорядоченными, чем они были в прошлом, причем так, что их нельзя легко перемотать назад.
Что решает, является ли материальная система обратимой во времени или движима энтропией, сказать сложно. Мы легко можем представить себе ржавление старого автомобиля, выветривание статуи или постоянное разрушение корабля, оказавшегося на мели, но такие материалы, как стекло, могут медленно изменяться, не имея ничего общего с внешними коррозионными силами.
Но под определенным углом зрения существуют материалы, которые не поддаются такому поведению. И они очень распространены: стекла и пластмассы.
Состоящие из жидкого сгустка частиц, некристаллические вещества, включая различные полимеры и аморфные твердые тела, такие как стекло, переходят в теоретически стабильное состояние по собственным часам, управляемым энтропией. Считайте, что это своего рода специальная теория относительности, основанная не на гравитации или ускорении, а на устойчивой реконфигурации различных молекул, термодинамически встающих на свои места.
Физики называют эту меру старения “материальным временем”. Хотя эта концепция существует с начала 1970-х годов, ее интерпретация в рамках так называемого формализма старения Нараянасвами никогда не была экспериментально измерена.
На это есть веская причина. Стекло стареет медленно, и это невозможно уловить, просто внимательно наблюдая за ним.
Для стекла в окне потребовались бы миллиарды лет.
“Это был серьезный экспериментальный вызов”, – говорит ведущий автор работы Тилль Бёмер, физик конденсированного состояния из Технического университета Дармштадта.
Команда использовала высокочувствительную видеокамеру для записи рассеянного лазерного света, который, попадая на образец стекла, образовывал интерференционные картины, которые можно было статистически интерпретировать как флуктуации, передающие ощущение материального времени в трех различных стеклообразующих веществах.
Вместо того чтобы быть запертым на пути к равновесию, ученые обнаружили свидетельства того, что время обратимо на молекулярном уровне, изменяясь по мере того, как частицы толкают и тянут друг друга в новые формы. Если отмотать весь процесс назад, то становится невозможно определить, идет ли фильм вперед или назад.
“Однако это не означает, что старение материалов можно обратить вспять”, – предупредил в своем заявлении ведущий автор работы Тилл Бёмер (Till Böhmer) из Технического университета Дармштадта.
Таким образом, небольшие движения молекул не влияют на старение всей системы. Они трясутся и дрожат, не влияя на материальное время. Что касается стрелы времени, то в стеклах и пластике молекулярные изменения могут идти как назад, так и вперед. Направление стрелы времени с молекулярной точки зрения не имеет значения. Но в целом стекло все равно стареет.
“Это оставляет нас с горой вопросов без ответов, – добавил соавтор исследования профессор Томас Блохович (Thomas Blochowicz).
Является ли обратимость следствием физических законов, которые обратимы? Как отличается материальное время в разных материалах? Применимо ли это открытие ко всем неупорядоченным материалам, как предполагает команда? Ответы на эти вопросы должны дать будущие исследования.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Читайте также: Ученые разгадали загадку “стрелы времени”