Физики «повернули время вспять» для кругов на воде

Физики из Исследовательского университета PSL (Париж, Франция) разработали методику, позволяющую «обращать время» для волн на поверхности воды. Она получила название «мгновенного временного зеркала» и основана на идеях голографии. Эксперимент описан в статье, опубликованной в Nature Physics (препринт).

Голографические методы основаны на неизменности уравнений, описывающих распространение волн, относительно обращения времени. Благодаря этому, зная состояние волнового фронта в один момент времени и имея информацию о скоростях его точек, можно полностью восстановить все поведение этой волны в пространстве-времени — как до, так и после выбранного момента. Более того, можно создать условия,в которых волна словно бы будет двигаться назад во времени.

Эксперименты по «обращению» движения волн уже были поставлены для акустических и электромагнитных волн, а также для волн упругой деформации и обычных волн на поверхности воды. Однако, все они требовали использования антенн и устройств для записи состояния волны в некоторый момент времени. В новой работе авторы предложили новый способ «обращения» волн, не требующий антенн или записи состояний.

«Мгновенное временное зеркало» обращает волны во всей области пространства, не записывая их состояния. Ученые экспериментально реализовали его для волн кругов на воде в небольшом сосуде. В начальный момент времени, прикосновением к поверхности воды физики запускали распространение волн. Затем, спустя некоторое время, специальное устройство встряхивало сосуд, развивая ускорение в 21 раз превышающее ускорение свободного падения. В результате точно определенного воздействия возникала дополнительная волна, распространявшаяся в строго обратном направлении.

Встряхивание сосуда изменяло эффективную гравитацию, определяющую поведение жидкости. Ученые сравнивают это с остановкой волн и их перезапуском. Волны «не знают», что двигались лишь в одном направлении, и начинают распространяться в обе стороны. Для наглядной демонстрации эффекта авторы использовали источники волн сложной формы — в виде Эйфелевой башни и смайлика. «Обращенные» волны в точности восстанавливали форму фигуры, запустившей круги на воде.

По словам авторов, работа раскрывает новый способ контроля над волновыми процессами. В будущем ученые планируют использовать тот же принцип для того, чтобы скрывать волны. Кроме того, физики надеются повторить эксперимент на других типах волн — акустических и электромагнитных.

Симметричность уравнений относительно обращения времени (T-симметрия) означает, что физические законы, описывающие поведение системы, не меняют своего вида при движении назад во времени. К примеру, все уравнения классической и квантовой механики, классической электродинамики и теории относительности T-симметричны. Однако, это свойство не характерно, к примеру, для термодинамики из-за неубывания энтропии. Интересно, что лишь недавно нарушения этой симметрии недавно были показаны для микроскопических квантовых систем.

Благодаря обратимости во времени законов квантовой механики ученым удалось продемонстрировать технологию, которая позволит создать сверхточные квантовые линейки. Кроме того, операция обращения времени позволила кристаллографам описать новые типы кристаллических решеток — «хореографические решетки».

Владимир Королёв