Физики «обратили время» для хаотичных прыжков капель

Физики из Университета Париж VII и Исследовательского университета PSL обнаружили, что для случайных скачков капель по поверхности жидкости можно «обратить время», восстановив тем самым их траекторию. По словам авторов, такую систему можно описывать в терминах машины Тьюринга — абстрактного исполнителя алгоритмов. Тогда волны на поверхности жидкости играют роль ленты — носителя информации, а процедура обращения движения капли приводит к чтению и стиранию информации. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters, кратко о нем сообщает Physics.

Процессы в природе можно разделить на две большие группы — обратимые и необратимые. Обратимыми можно назвать, к примеру, равномерное движение по прямой, некоторые химические реакции, распространение волн — во всех этих случаях есть физические процессы, строго обратные выбранному. Вместе с тем, многие процессы являются необратимыми, такие как, например, диффузия, передача тепла через теплопроводность, взрыв. Одна из причин необратимости — второе начало термодинамики, которое утверждает, что некоторая характеристика изолированной системы, называемая энтропией, не может убывать. 

Необратимыми являются некоторые хаотичные процессы: это можно проиллюстрировать на примере бильярдов. Шары в традиционном бильярде движутся достаточно предсказуемо и если в какой-то момент обратить движение шара (мы можем делать это только с некоторой погрешностью), то он вернется в точку, близкую к исходной. Теперь исказим границы бильярдного стола, скруглив их, или просто добавим круглый объект в центре. Тогда погрешность измерения, которую мы привнесем, запустив шар в обратном направлении, будет все сильнее проявляться с каждым отражением и траектория в конечном итоге будет сильно отличаться от исходной.

Подобная необратимость касается систем, в которых происходит движение частиц. В отличие от них, хаотические волновые процессы, как правило, обратимы. В новой работе физики экспериментально оценили обратимость в хаотичной системе, в которой одновременно присутствуют и частицы и волны. 

При некоторых условиях всплеск на поверхности воды может привести к образованию устойчивой капли, «прыгающей» по основной массе. Ранее физики установили, что траектория ее движения хаотична. Каждый отскок капли порождает волны в жидкости, для которых один из соавторов работы уже нашел способ «обращать время вспять». Объединив экспериментальные наработки двух лабораторий, ученым удалось «обратить время» для хаотично движущейся частицы и заставить ее двигаться в обратном направлении.

В эксперименте физики использовали силиконовое масло, содержавшее магнитные частицы. С помощью магнитного поля ученые ограничивали возможные движения капель небольшой областью. «Прыжки» капли приводили к возникновению волн, которые ученые усиливали, заставляя вибрировать стенки сосуда с маслом. Для того чтобы обратить движение волн, ученые резко меняли фазу колебаний стенок сосуда на противоположную. Это в свою очередь влияло на траекторию капли — она начинала двигаться в обратном направлении.

Обращение движения капли было не полным — после нескольких отскоков по старой траектории частица «сворачивала» с нее. Таким образом в волнах на поверхности масла хранилась информация лишь о нескольких последних «прыжках». Каждый отскок после «обращения времени» приводил к возникновению волн, которые были полностью обратными к старым, сформированным на траектории до «обращения времени». Складываясь, эти колебания стирали информацию о траектории капли.

Таким образом, в системе из капли и волн жидкости можно осуществлять операции чтения, записи, хранения и стирания информации. С этой точки зрения система напоминает собой компьютер или более универсальную машину Тьюринга — абстрактный исполнитель алгоритмов. Этот абстрактный объект состоит из бесконечной ленты с данными и устройства чтения и записи. Авторы еще не придумали как использовать систему в роли полноценного вычислителя. По словам физиков, в отличие от традиционной машины Тьюринга, здесь при записи информации — отскоке капли — происходит воздействие на все поле волн жидкости. 

Ранее исследователям из Исследовательского университета PSL удалось «обратить время» для кругов на воде от источников сложной формы. К примеру, авторы добились того, чтобы круги от точек, расположенных в форме Эйфелевой башни, обращали свое направление и сходились обратно.

Владимир Королёв