Премия Рунета-2020
Россия
Москва
+9°
Boom metrics
Наука23 апреля 2023 3:00

Это настоящая революция: физики все-таки создали «вечный двигатель»

Им пришлось грубо нарушить закон сохранения энергии – но оказалось, что природа сама нарушает его сплошь и рядом
Вот физики посылают очень слабый луч лазера в некое пространство. Внезапно он становится ослепительно ярким. Закачали несколько фотонов – получили искусственное Солнце

Вот физики посылают очень слабый луч лазера в некое пространство. Внезапно он становится ослепительно ярким. Закачали несколько фотонов – получили искусственное Солнце

Фото: Shutterstock

Вековая мечта человечества о вечном двигателе, кажется, стала реальностью. В одном, очень тонком, эксперименте физики получили больше энергии, чем потратили. Намного больше. Раскрываем детали сенсационного опыта, который перевернет нашу жизнь.

СОЛНЦЕ В ПРОБИРКЕ

Опыт доктора Ван Су Чена (Xuchen Wang) с коллегами концептуально прост. Вот физики посылают очень слабый луч лазера в некое пространство. Внезапно он становится ослепительно ярким. Закачали несколько фотонов – получили искусственное Солнце. Хоть лабораторию освещай! Откуда энергия? Из ниоткуда. Законы термодинамики нагло нарушены. По сути это вечный… пока не двигатель (ведь ничего не движется), а – источник силы и мощности. Но двигатель теперь понятно, как делать: свет может питать, например, солнечную батарею, а та создавать электричество.

Стоп-стоп, не будем гнать лошадей. Чудо возможно пока только в лаборатории. От опыта до вечной батарейки для вашей дачи, которая продается на садовом развале – путь все-таки длинный. Но как удалось все это провернуть?

Секрет – в «пространстве», куда закачали луч лазера. В нем находится кристалл времени. Звучит фантастически! Кристалл времени – это искусственно созданное состояние материи, и как там все устроено, мы сейчас и расскажем.

ТОЧНОЕ ПРЕДСКАЗАНИЕ

Когда люди слышат про кристалл времени, они думают, что это такой блестящий «алмаз», который перенесет вас в прошлое или будущее. Но, хотя кристалл времени может выглядеть как бриллиант, название у него крайне неудачное, потому что к машине времени он отношения не имеет. Он – про вечный двигатель. Вы сейчас поймете, почему его так назвали.

Все началось в 2012 году, когда нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек предсказал, что в природе должно существовать особое состояние материи с очень интересными свойствами. Это система, которая колебалась бы без внешней энергии, и не тратя собственную. Вечно. Как так?

Из школы известно: молекулы и атомы постоянно движутся, потому что обладают некой температурой (энергией). Нас учили: когда температура достигает абсолютного нуля (минус 273 градуса), движение останавливается. Но нет! В реальности вещество продолжает двигаться, уже без энергии. Дело в том, что остановка – это «скорость равна нулю». Однако, квантовая механика запрещает частице иметь четко определенное состояние. «Около нуля» - да, ровно «нуль» - нет. Вот движение и продолжается. Но откуда берется энергия? Да ниоткуда, она просто есть. Вечная и бесконечная. Еще говорят, что это «энергия вакуума». Таковы законы природы. Нам, конечно, все это чуднО, потому что мы привыкли сжигать уголь и дрова, чтобы согреться. Но вот Солнце – оно же даром светит? Так и вакуум, даром. Только Солнце погаснет когда-нибудь, а вакуум никогда не истощится.

Важно понять: мы пока не нарушили закон сохранения энергии. Ведь тепловое движение частиц хаотическое. А хаос дает на выходе все тот же нуль. То есть: каждая частица по отдельности перемещается. Но в целом система «мертвая» и работу не производит. Колебания частиц в одну сторону компенсируются колебаниями в другую сторону.

Вильчек понял, что иногда – производит. Он вычислил, что вещество можно привести в особое состояние, когда колебания станут согласованными. Правильные незатухающие колебания – это уже не хаос. Из этого можно извлечь пользу. Такое состояние вещества он и назвал «кристаллом времени». Как я уже говорил, термин неудачный, но логика есть. В обычном кристалле – решетка, структура которой повторяется в пространстве. А тут – тоже четко организованная структура колебаний, но уже не в пространстве, а во времени. Как бы само время, сжимаясь и расширяясь, заставляет «кристалл» работать.

Все это было так необычно, что и теоретики, и практики немедленно кинулись проверять. К 2015 году появилось несколько работ, в которых доказывалась невозможность кристалла времени. А в октябре 2016 Кристофер Монро получил кристалл времени в лаборатории. С тех пор физики поставили около сотни опытов. Кристаллы времени созданы в газе, жидкости, и – да, в кристалле алмаза. Неважно, на основании чего вы создаете кристалл времени. Внешне он может иметь любую форму. Главное – придать атомам особое состояние. Делается это с помощью лазеров, очень низких температур, сильных магнитных полей – способов опять же много.

Поразительно, но голая теория, которая казалась безумной в 2012 году, стала реальностью всего через четыре года. А через десять, то есть сегодня, «кристаллы времени» легко создаются в любых лабораториях, где есть хоть мало-мальски подходящее оборудование.

ЗАРЯ НОВОЙ ЭРЫ

Значение опыта Ван Су Чена огромно. Этого физика китайского происхождения (но работает он в Европе) можно сравнить с Маркони, который осуществил первую коммерческую радиосвязь. До Маркони радио было игрушкой. Итальянец превратил радио в вещь практическую.

Так и с кристаллами времени. Да, физики получали вещества, которые колебались сами по себе. Но, чтобы создать само вещество, они тратили уйму энергии. А колебания, замкнутые в кристалле, наружу не выходили. Это напоминает двигатель, у которого нет оси, нет вала. Сам по себе он гудит, работает, вращается где-то внутри коробки. Но ты к нему ничего не подключишь. Китаец – подключил. Он догадался, что через кристалл надо просто пропустить свет. Энергия кристалла вышла к людям. Это колоссальный прорыв.

Другое достижение команды Ван Су Чена – (относительная) простота реализации. Прежде физики делали трехмерные кристаллы. Китаец догадался, что его достаточно сделать двумерным. Как пятно краски на бумаге. Это работает так же хорошо, а сил и затрат требует намного меньше.

НО ЧТО ЖЕ С ЗАКОНАМИ СОХРАНЕНИЯ?

Веками люди пытались получить вечный двигатель, и натыкались на законы сохранения энергии. Но что такое этот закон на самом деле?

Почти все вечные двигатели разбивались о трение. Все вроде работает, но потом останавливается, потому что – трение. Трение переводит движение в «глупое» тепло. Помните, мы говорили, что хаотичные движения на выходе дают нуль? Тепло – это и есть хаос (или, как еще говорят, энтропия). Когда шестеренки машины крутятся, они греются, и из этого тепла вы уже ничего не получите. Уже в начале XIX века поняли, что «глупое» тепло безвозвратно сжирает часть энергии любого мотора. Появился знаменитый третий закон термодинамики. Он гласит: хаос (энтропия) со временем растет, и рано или поздно Вселенная вся уйдет в «глупое» тепло. Мир погибнет. Не будут светить звезды. Не будут биться сердца живых существ. Никакой продуктивной работы. Только беспорядочный горячий «бульон» вещества, не производящий никакой работы.

В ХХ веке заподозрили, что это не так. Энтропия (хаос) Вселенной должна увеличиваться. Но на деле все наоборот. Это ранняя Вселенная была горячим «глупым» бульоном. Потом она усложнилась (звезды), затем еще (планеты), появилась жизнь, а мы, люди, делаем все более сложные механизмы. Вселенная становится сложнее!

Парадокс объяснила квантовая механика. Законы «большого» мира (планет, звезд, людей) не работают на уровне элементарных частиц. Там и время течет вспять, и «глупое» тепло не такое уж глупое, и вакуум, то есть пустота, сам собой порождает вещество и энергию. Но говорили, что между микромиром и нашим – непроходимая стена. Кристаллы времени (а также квантовые компьютеры) эту стену разрушают. Странным оказывается не только микромир, но и наш мир.

Безусловно, кристаллы времени нарушают закон сохранения энергии. Но не нарушается ли он постоянно на наших глазах? Я приведу грубый, но наглядный пример. Вот лист бумаги. Вы можете сжечь его в печи, и получить немного тепла. Это все, на что способен лист? Но вот на нем написана инструкция по запуску ракеты. Человек, который не умеет управлять ракетой, читает инструкцию, и высвобождает колоссальное количество энергии. Можно ведь так повернуть, что эта энергия содержалась в листе бумаги, в особым образом организованных пятнах типографской краски (буквах). Поэтому некоторые физики стали говорить, что информация – это тоже энергия.

В каком-то смысле так и есть. Но все намного глубже. Вселенная, ее структура, то, как организовано пространство – это и есть информация, которую создал не человек, а сама природа. Именно эта структура – источник бесконечной энергии. Мы только сейчас добрались до этого источника.

Что же, идея вечного двигателя была верна, просто технологий не хватало? Выходит, что да. Магниты, чаши с водой, шестеренки и прочие грубые вещи просто были не в состоянии извлечь то, что извлечь в принципе можно. Мир стоит на пороге энергетической революции, и ее последствия будут колоссальны.