Очередной эпизод сериала «Говорит и показывает Одна Чёрная Птица»…
В первой части этой большой истории [i1], можно напомнить, рассказывалось не столько об Инженерии Флоке (ИФ), сколько о контрастном научном фоне для лучшего понимания и рассмотрения главной темы. Теперь же, очевидно, пора перейти к сути.
Важнейшая суть ИФ заключается в том, что ныне учёные и инженеры, опираясь на сильную математику уравнений, обрели возможности создавать не просто новые формы материи, но и много больше того. Создавать существенно иные, можно сказать, искусственные реальные миры с другими – причём проектируемыми заранее – свойствами пространства и законами физики.
А самое главное, в процессе этого «научного творения» разных миров по рецептам ИФ исследователи постепенно выходят и на уровень постижения Великой Загадки в устройстве физики мира нашего.
Загадки о том, почему никак не удаётся свести в единую согласованную картину две фундаментальных теории: гравитационную для макрокосмоса и квантовую для микромира. И почему, в частности, оценки для энергии «пустого пространства» вселенной, рассчитанные с опорой на две эти базовые теории, не соответствуют друг другу в совершенно катастрофических масштабах [i2]. И как, наконец, эта «катастрофа науки» связана с природой сознания.
Для правильного же понимания столь интересной и важной сути Инженерии Флоке, ведущей науку к Великой Разгадке, имеет смысл обращать внимание на малозаметные, далеко не самые очевидные из аспектов происходящего. Но при всей своей неочевидности это такие аспекты, которые здесь тоже весьма существенны: исторический, лингвистический и персональный…
Три важных, но неочевидных особенности ИФ
(1)
Первое – это аспект исторический. Ранее уже не раз отмечалось, что в истории науки XIX-XX веков имелось несколько весьма важных поворотных этапов, когда научное развитие пошло отчётливо «не туда». В частности, двумя главными из таких этапов есть все основания считать события в науке на рубеже 1870-80-х годов и на рубеже 1940-50-х годов. [i3]
Если говорить о «первом рубеже» XIX века, то тогда, среди всего прочего, в течение одного и того же 1879 года произошла безвременная кончина двух великих и далеко не старых учёных, Клиффорда и Максвелла. Значимость достижений которых современники не поняли, научные потомки в XX веке осваивали медленно и по частям, а принципиальную важность тесных взаимосвязей между максвелловой физикой и клиффордовой математикой начали постигать лишь ближе к концу двадцатого столетия.
В том же 1879 году, что примечательно, французский математик по имени Гастон Флоке (Achille Marie Gaston Floquet, 1847-1920), практически неизвестный для науки той эпохи, защитил докторскую диссертацию, посвящённую новым подходам к решению дифференциальных уравнений. В последующие годы, особенно в период 1881-1883 гг, Флоке опубликовал несколько важных статей, развивавших идеи его диссертации и объединённых примерно таким общим названием: «О линейных дифференциальных уравнениях с периодическими коэффициентами».[o1]
Именно эти работы дали начало так называемой «теории Флоке», важность которой для разных направлений современной физики начнут постигать намного позже, во второй половине XX века. Ну а ныне, в самых передовых научных исследованиях века XXI, именно эта теория является и математическим фундаментом для выдающихся достижений Инженерии Флоке…
Если же говорить об исторически другом, «втором рубеже» 1940-50-х годов, то там принципиально важными для смены курса событиями, среди всего прочего, были такие. С одной стороны, неоднократные попытки П.А.М. Дирака вернуть в основы физики «отменённую» концепцию эфира. А со стороны другой, активный демарш Норберта Винера против засекречивания и милитаризации науки.
Ничего из этих инициатив от выдающихся учёных, как известно, научное сообщество не поддержало. Однако именно в тот период была опубликована очень важная исследовательская работа знаменитого советского физика Петра Л. Капицы. Который, с одной стороны, был не только близким коллегой, но и личным другом Поля Дирака. А со стороны другой, после окончания Второй мировой войны Капица стал заниматься наукой именно так, как призывал Норберт Винер. То есть решительно отказавшись от участия в секретных проектах государства по созданию новых, наиболее разрушительных и смертоносных видов оружия.
Ну а со стороны третьей, в 1951 году Пётр Капица, снятый государственными вождями со всех руководящих научных постов и работавший в условиях домашней мастерской-лаборатории у себя на даче, опубликовал этапную статью про «Динамическую устойчивость маятника с вибрирующим подвесом» [o2].
Нельзя сказать, что именно так в физике был открыт парадоксальный и контр-интуитивный эффект динамической стабилизации, заставляющий обычный маятник устойчиво качаться в перевёрнутом «вверх ногами» положении. Ибо об этом наука знала и раньше [o3]. Но есть сильные основания утверждать, что именно благодаря авторитету Капицы и его обстоятельной открытой публикации мировое сообщество учёных вспомнило, наконец, про этот давно известный феномен и начало всерьёз его исследовать.
В конечном же итоге, когда природу динамической стабилизации систем, находящихся в состоянии постоянных вибраций и встряхиваний, научились изучать-осваивать в условиях квантовой физики и в сочетании с математикой Флоке, как будто специально разработанной именно для этого, вот тогда и родилось существенно новое направление научных исследований. Ныне известное как Инженерия Флоке.
(2)
Второе – это аспект лингвистический. Хотя та область науки, что сегодня именуется Floquet Engineering, с разной степенью интенсивности разрабатывается учёными примерно около полувека, как минимум, собственно термин получил распространение уже в XXI столетии. И обозначает изучение специфической физики так называемых «periodically driven systems», если пользоваться общепринятой ныне английской интерлингвой науки.
В дословном переводе на русский язык этот международный научный термин естественно воспринимать как «периодически управляемые системы». Или, скажем, «периодически направляемые системы». Или что-нибудь ещё в том же духе. Но в любом случае необходимо подчеркнуть, что сам исходный термин выбран здесь не самым удачным образом, а потому и перевод его на русский лучше подобрать не столько дословный, сколько доносящий особенности изучаемой здесь физики.
Главными же особенностями физики у ИФ-систем является то, что они совершенно не соответствуют тем общепринятым догмам, на основе которых выстроена физическая наука. Ибо согласно таким, в частности, «непоколебимым» догмам науки, как начала термодинамики и законы сохранения, никаких стабильных физических систем для Инженерии Флоке в природе не может существовать в принципе.
Иначе говоря, исследователи физики ИФ – вовсе не желающие посягать на «самое святое» – явно не случайно выбрали для своих занятий слово «Инженерия». Дабы сразу подчеркнуть, так сказать, сугубо искусственные, а не естественно природные основы у тех Флоке-феноменов, что порождают их удивительную экспериментальную и математическую физику.
Суть математики, разработанной Гастоном Флоке, если пояснять в самых общих словах, сводится к тому, что изначально сложные дифференциальные уравнения с периодически изменяющимися коэффициентами можно преобразовывать к виду существенно более простых уравнений с коэффициентами постоянными. А значит, решая уравнения простые, можно отыскивать решения и для уравнений намного более сложных…
С другой стороны, суть задач физиков, занимающихся изучением систем, находящихся в состоянии вибраций, встряхиваний и других возмущающих внешних воздействий, сводится к отысканию уравнений, хорошо описывающих поведение таких систем с течением времени. Ибо решения уравнений выводят учёных на отыскание таких параметров системы, которые обеспечивают наиболее стабильную её работу.
Ну а поскольку внешние воздействия встряхивания, вибраций и тому подобных возмущений зачастую носят периодический характер (или же могут быть разложены на комплекс разных периодов), вряд ли удивительно, что в какой-то момент физики этой области обнаружили полезность математики Флоке. Когда же эта математика была освоена, выяснилось, что с опорой на данный инструментарий теоретиков можно заранее предсказывать, а затем и реально создавать такие новые физические системы, которые в природе устойчиво существовать не могут. Вроде как не могут, точнее, если верить догмам физики.
Но как бы там ни было, в независимости от веры или сомнений учёных, факты реального научного прогресса таковы, что методы Инженерии Флоке находят сегодня очень успешное применение во всё более расширяющихся масштабах.
Постоянное периодическое воздействие на квантовые системы может осуществляться самыми разными способами. Магнитными полями и переменными электрическими токами, облучением лазерами и встряхиванием оптических решёток, сочетанием этих методов и развитием их в новые, трудно доступные прежде частотные диапазоны.
Настойчивое расширение поля исследований мотивировано тем, что варьирование параметров ИФ-систем (частот колебаний, их амплитуд и фазовых сдвигов) постоянно приводит к таким новым и интересным открытиям, где теория и эксперименты часто и плодотворно взаимно дополняют друг друга. Даже самое краткое перечисление успехов исследователей, занимающихся Инженерией Флоке, выглядит весьма впечатляюще. [o4][o5][o6][o7]
Периодически встряхиваемые квантовые системы, скажем, оказались очень удобным полигоном для конструирования новых топологических фаз материи. Когда, например, тело (балк) системы имеет свойства изолятора, а в тончайшем поверхностном слое проводит ток очень хорошо. Варьируя параметры ИФ-системы, можно радикально изменять её фазовое состояние в целом, превращая изолятор в сверхпроводник или наоборот.
В ИФ-системах другого рода подстройкой параметров встряхивания можно порождать искусственные силовые поля, такие как мощные магнитные поля и новые калибровочные взаимодействия. Можно порождать новые, дополнительные измерения пространства. А также можно и новые формы материи с интереснейшими свойствами, такие как кристаллы времени. Или создавать для тщательного осмотра и изучения стабильные «большие» квазичастицы, демонстрирующие, скажем, режимы (моды) бозонов Хиггса или фермионов Майораны. То есть свойства частиц, в реальной экспериментальной физике почти неуловимых.
Список достижений и новых направлений для исследований тут постоянно прирастает, поэтому и количество терминов, обозначающих периодическое воздействие на систему, соответственно, тоже увеличивается. Встряхиваемые (shaken) системы, форсирование или модуляция (forcing, modulation), плюс несколько других подобного рода слов, в конечном итоге сводимых ныне к обобщающему термину periodically driven systems.
В русском языке, насколько можно судить, сложившейся научной терминологии для этого нового дела пока что не наблюдается. Но было бы крайне желательно, чтобы нужное слово было выбрано по существу, что называется. То есть для закрепления понимания сути феномена, а не для его дополнительного затуманивания.
Как это произошло, в частности, с таким термином как Entanglement, по смыслу означающему «сцепленность» квантовых частиц, однако в русскоязычной научной литературе упорно переводимому как «запутанность». Отчего и без того неясная до сих пор физика феномена мгновенных взаимодействий сцепленных частиц на любых расстояниях становится ещё более мутной и запутанной.
Короче говоря, дабы не повторять подобных ошибок с Инженерией Флоке, здесь периодическое воздействие на систему будет обобщённо именоваться «встряхиванием». Ну а почему это не только естественный, но и полезный для понимания сути выбор термина, станет ясно и очевидно ближе к финалу.
(3)
Третье – это аспект персональный. Или специфический момент, целиком сосредоточенный, фактически, на замечательных научных идеях от выдающегося теоретика современности Фрэнка Вильчека. Того самого Вильчека, можно напомнить, который в первой части нашей истории очень авторитетно заверял интересующуюся общественность, что для фундаментальной физики (цитируя светило дословно):
«В теоретическом смысле нет никакого другого пути, чтобы решить те проблемы, которые решает аксион…»
В ситуации этой явно имеется какой-то очень тонкий и одновременно глубокий юмор космоса. Потому что огромные нынешние проблемы науки в связи с непониманием тёмной энергии и тёмной материи уже сейчас действительно и вполне успешно учёными решаются – но только без опоры на аксион Вильчека и вообще без Стандартной Модели частиц. Шутка же юмора в том, что важнейшими компонентами Решения являются другие открытия и идеи от того же самого теоретика, нобелевского лауреата Фрэнка Вильчека.
А разнообразные достижения тех учёных, которые сейчас энергично окучивают поле Инженерии Флоке, на самом деле ведут науку к Великому Прозрению. Хотя сами исследователи, похоже, об этом пока не подозревают…
О каких же других, принципиально важных идеях Вильчека тут идёт речь?
Открытие первое – это гипотетическая (квази-) частица под названием энион [i4] [o8]. Или anyon в исходном английском варианте, порождённом из двух половинок: «any-» для обозначения идеи «любая частица» (то есть и фермион, как частица материи, и бозон, как частица-переносчик взаимодействий фермионов); и «-on» для обозначения того, что данный объект тоже относится к частицам (название которых по давней традиции имеет такое окончание).
Нельзя сказать, что именно Вильчек был первооткрывателем эниона, ибо эта великая идея независимо появлялась ранее и у других теоретиков. Но именно с подачи Вильчека возникли не только собственно название энион, но и интерес научного сообщества к этой квазичастице, которой по фундаментальным математическим причинам не может быть в Стандартной Модели, строго различающей свойства фермионов и бозонов. Что же касается эниона, существующего в ином мире плоского двумерного пространства, то он вовсе не обязан соответствовать канонам Стандартной Модели. А потому одновременно может играть роли как частиц материи, так и переносчиков взаимодействий.
Открытие второе – это гипотетическая новая форма материи под названием кристалл времени [i5] [o9]. Или time crystal в исходном англоязычном варианте. Подобно тому, как энионы существенно расширили мир частиц за пределы Стандартной Модели, так и вильчековы кристаллы времени существенно расширили мир физики за пределы законов термодинамики.
Ибо для всех теоретиков, свято почитающих догмы науки, никаких кристаллов во времени в природе существовать просто не может. Просто по той причине, что в переложении на более доступный для обывателей язык это открытие означало бы возможность существования вечного двигателя. Фрэнк Вильчек, однако, математически показал, что в теории такая конструкция вполне возможна. Ну а дабы его не обвиняли в посягательстве на «самое святое», заодно постулировал, что эта конструкция не способна совершать «полезную работу»…
Открытие третье, также напрямую связанное с именем Вильчека – это гипотетический новый феномен физики под названием сцепленность во времени [i6]. Или Entangled Histories, то есть «квантово сцепленные истории во времени». Как и два предыдущих открытия, этот феномен также весьма существенно расширил представления науки о том, что в мире природы математически вполне допустимо. Даже если выглядит невероятным.
Если чуть подробнее, то прежде феномен квантовой сцепленности частиц – как мгновенного взаимодействия на любых расстояниях – было принято рассматривать в сугубо пространственном смысле. Ну после новаторских работ Вильчека и его молодого даровитого коллеги Джордана Котлера [o10] стало ясно, что математический аппарат феномена сцепленности вполне может быть расширен ещё и по оси времени.
Благодаря чему становится теоретически возможным не только экспериментировать с частицами, сцепленными во времени, но и вообще на значительно более глубоком уровне постигать ту единую «пространственно-темпоральную» структуру, что лежит в основе микромира квантовой физики.
#
Возвращаясь от списка новаторских идей Вильчека к главной теме нашей истории, пора задаться естественным вопросом. Каким же образом все эти замечательные, спору нет, теоретические открытия связаны с Инженерией Флоке?
Ответить на этот вопрос можно совсем кратко, а можно и развёрнуто с подробностями. Если совсем кратко, то каждую из этих трёх интереснейших идей обычно принято рассматривать по отдельности друг от друга, как нечто разное и независимое. Ну а Инженерия Флоке наглядно и убедительно может продемонстрировать, что на самом деле всё это есть разные стороны одной и той же конструкции.
Той самой физико-математической конструкции, что работает в глубинных основах нашего мира. Или, формулируя то же самое чуть иначе, именно энионы, кристаллы времени и квантовая «пространственно-темпоральная» сцепленность являются естественным для науки путём, ведущим к постижению загадок тёмной энергии и тёмной материи. Что в итоге окажется и разгадкой для устройства единого сознания вселенной.
Ну а чтобы пояснить развёрнуто и с подробностями, как именно это Великое Прозрение будет происходить, требуется ещё одна часть истории. Рассказывающая о том, про что в исследованиях Инженерии Флоке упоминать совершенно не принято. Пока не принято.
# # #
Дополнительное чтение:
[i1] Чудеса инженерии Флоке, или Свет вместо тьмы [часть 1 из 3]
[i2] Подробности о «вакуумной катастрофе» см. в тексте «Додекаэдрон, синхрон и лохотрон», раздел «Сто лет назад»
[i3] Табу на нейросети
[i5] Процесс пошёл, или Кристаллы во времени
[i6] Обман трудящихся, или Следим за руками
# #
Основные источники:
[o1] O’Connor, John J.; Robertson, Edmund F., «Gaston Floquet«, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews
[o2] Капица П. Л. «Динамическая устойчивость маятника при колеблющейся точке подвеса» ЖЭТФ, т. 21, Вып. 5. С. 588—597 (1951); Капица П. Л. «Маятник с вибрирующим подвесом», УФН, т. 44. Вып. 1. С. 7—20 (1951)
[o3] Andrew Stephenson. «On induced stability», Philos. Msg. 15 (1908), pp 233-236 ; «A new type of dynamical stability», Proc. Manchester Literary Philos. Sot. 52 (1908)
[o4] Takashi Mori. Floquet States in Open Quantum Systems. Annual Review of Condensed Matter Physics. 2023. 14:35–56 https://doi.org/10.1146/annurev-conmatphys-040721-015537
[o5] Christof Weitenberg and Juliette Simonet. Tailoring quantum gases by Floquet engineering, Nature Physics, 17, 1342 (2021) https://doi.org/10.1038/s41567-021-01316-x
[o6] A. Eckardt. Colloquium: Atomic quantum gases in periodically driven optical lattices. Reviews Of Modern Physics, Volume 89, January–March 2017. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.89.011004
[o7] Marin Bukov et al. Universal High-Frequency Behavior of Periodically Driven Systems: from Dynamical Stabilization to Floquet Engineering. arXiv:1407.4803
[o8] F. Wilczek. Magnetic Flux, Angular Momentum, and Statistics. Phys. Rev. Lett. 48, 1144 (1982)
[o9] A. Shapere and F. Wilczek. Classical time crystals. arXiv:1202.2537 ; Frank Wilczek. Quantum time crystals. arXiv:1202.2539
[o10] Jordan Cotler and Frank Wilczek. Entangled History, arXiv:1502.02480 ; Jordan Cotler, Frank Wilczek. Temporal Observables and Entangled Histories, arXiv:1702.05838
#
книга новостей 