Физики в Дармштадте исследуют процессы старения материалов. Впервые они измерили тиканье внутренних часов в стекле. Оценивая данные, они обнаружили удивительное явление. Команда под руководством Тилля Бёмера из Института физики конденсированного состояния Технического университета Дармштадта опубликовала свои результаты в журнале Nature Physics.
Мы воспринимаем время как имеющее только одно направление. Кто когда-нибудь видел, чтобы чашка разбилась об пол, а затем спонтанно собралась заново? Для физиков это не является самоочевидным, поскольку формулы, описывающие движения, применимы независимо от направления времени.
Например, видео, на котором маятник беспрепятственно раскачивается, будет выглядеть точно так же, если он побежит назад. Ежедневная необратимость, с которой мы сталкиваемся, проявляется только благодаря еще одному закону природы — второму закону термодинамики. Это говорит о том, что беспорядок в системе постоянно растет. Однако если бы разбитая чашка собралась сама, беспорядок уменьшился бы.
Можно было бы подумать, что старение материалов так же необратимо, как разрушение стекла. Однако, исследуя движение молекул в стекле или пластике, физики из Дармштадта обнаружили, что эти движения обратимы во времени, если рассматривать их с определенной точки зрения.
Стекла или пластик состоят из клубка молекул. Частицы находятся в постоянном движении, заставляя их снова и снова перемещаться в новые положения. Они постоянно ищут более благоприятное энергетическое состояние, которое со временем меняет свойства материала — стекло стареет.
Однако в случае полезных материалов, таких как оконное стекло, это может занять миллиарды лет. Процесс старения можно описать так называемым «материальным временем». Представьте себе это так: у материала есть внутренние часы, которые тикают иначе, чем часы на стене лаборатории. Материальное время течет с разной скоростью в зависимости от того, насколько быстро реорганизуются молекулы внутри материала.
Однако с тех пор, как эта концепция была открыта около 50 лет назад, никому не удалось измерить материальное время. Теперь исследователи сделали это впервые.
«Это была огромная экспериментальная задача», — говорит Бёмер. Незначительные колебания молекул пришлось документировать с помощью сверхчувствительной видеокамеры. «Вы не можете просто наблюдать, как молекулы колеблются», — добавляет Блохович.
И все же исследователи кое-что заметили. Они направили лазер на образец из стекла. Молекулы внутри него рассеивают свет. Рассеянные лучи перекрываются и образуют на сенсоре камеры хаотичный узор из светлых и темных пятен. Статистические методы можно использовать для расчета того, как колебания меняются со временем — другими словами, как быстро тикают внутренние часы материала. «Это требует чрезвычайно точных измерений, которые были возможны только с использованием самых современных видеокамер», — говорит Блохович.
Но оно того стоило. Статистический анализ молекулярных флуктуаций, в котором помогли исследователи из Университета Роскилле в Дании, дал некоторые удивительные результаты. С точки зрения материального времени, колебания молекул обратимы во времени. Это означает, что они не меняются, если материальному времени позволить идти в обратном направлении, подобно видео маятника, которое выглядит одинаково при воспроизведении вперед и назад.
«Однако это не означает, что старение материалов можно обратить вспять», — подчеркивает Бёмер. Скорее, результат подтверждает, что концепция материального времени выбрана правильно, поскольку она выражает всю необратимую часть старения материала. Его тиканье символизирует ход времени для рассматриваемого материала.
Все остальное, что движется в материале относительно этой шкалы времени, не способствует старению. Точно так же, как, образно говоря, дети, играющие на заднем сиденье автомобиля, не способствуют его движению.
Исследователи из Дармштадта полагают, что это в основном относится к неупорядоченным материалам, поскольку они исследовали два класса материалов — стекло и пластик — и провели компьютерное моделирование модельного материала — с одинаковыми результатами.
Успех физиков — это только начало. «Это оставляет нам гору вопросов без ответов», — говорит Блохович. Например, остается выяснить, в какой степени наблюдаемая обратимость с точки зрения материального времени обусловлена обратимостью физических законов природы или чем тиканье внутренних часов различается для разных материалов.
Исследователи стремятся продолжить расследование, поэтому впереди могут быть еще более захватывающие открытия.
