Grupie amerykańskich fizyków udało się skonstruować tak zwany „kryształ czasu” - strukturę, której możliwość przewidziano już dawno temu. Cechą kryształu jest zdolność okresowego asymetrii nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie. W związku z tym można go wykorzystać do wykonania ultraprecyzyjnego chronometru.
Kryształy to generalnie bardzo paradoksalne formacje. Weźmy na przykład ich związek z symetrią: jak wiemy, sam kryształ, sądząc po jego wyglądzie, można uznać po prostu za model symetrii przestrzennej. Jednak proces krystalizacji to nic innego jak jego złośliwe naruszenie.
Bardzo dobrze ilustruje to przykład tworzenia się kryształów w roztworze, na przykład niektórych soli. Jeśli przeanalizujemy ten proces od samego początku, okaże się, że w samym roztworze cząsteczki są rozmieszczone chaotycznie, a cały układ ma minimalny poziom energii. Jednak interakcje między cząstkami są symetryczne w odniesieniu do obrotów i ścinania. Jednak po krystalizacji cieczy pojawia się stan, w którym obie te symetrie są zerwane.
W związku z tym możemy stwierdzić, że interakcja między cząstkami w powstałym krysztale wcale nie jest symetryczna. Implikuje to szereg najważniejszych właściwości kryształów - na przykład struktury te, w przeciwieństwie do cieczy czy gazu, przewodzą prąd elektryczny lub ciepło na różne sposoby w różnych kierunkach (mogą go przewodzić na północ, ale nie na południe). W fizyce ta właściwość nazywa się anizotropią. Ta krystaliczna anizotropia jest od dawna wykorzystywana przez ludzi w różnych gałęziach przemysłu, takich jak elektronika.
Inną interesującą właściwością kryształów jest to, że jako system zawsze znajduje się na minimalnym poziomie energii. Najciekawsze jest to, że jest on dużo niższy niż np. W roztworze, z którego „zrodził się” kryształ. Można powiedzieć, że aby uzyskać te struktury, konieczne jest „odebranie” energii wyjściowemu podłożu.
Tak więc podczas tworzenia kryształu poziom energii układu spada, a początkowa symetria przestrzenna zostaje zerwana. A nie tak dawno dwaj fizycy ze Stanów Zjednoczonych, Al Shapir i Frank Wilczek (notabene laureat Nagrody Nobla), zastanawiali się, czy możliwe jest istnienie tzw. „Czterowymiarowego” kryształu, w którym złamanie symetrii nastąpiłoby nie tylko w przestrzeni, ale iw czasie.
Za pomocą złożonych obliczeń matematycznych naukowcy byli w stanie udowodnić, że jest to całkiem możliwe. Rezultatem jest system, który istnieje, jak prawdziwy kryształ, przy minimalnym poziomie energii. Ale najciekawsze jest to, że ze względu na powstawanie pewnych struktur okresowych, nie w przestrzeni, ale z czasem, doszłoby do asymetrycznego stanu końcowego. Autorzy pracy bardzo uroczyście nazwali taki system - „kryształem czasu”.
Po pewnym czasie grupa fizyków doświadczalnych pod przewodnictwem profesora Zhanga Xianga z Uniwersytetu Kalifornijskiego (USA) postanowiła stworzyć taki system już nie na papierze, ale w rzeczywistości. Naukowcy stworzyli chmurę jonów berylu, a następnie „zamknęli” ją w okrągłym polu elektromagnetycznym. Ponieważ elektrostatyczne odpychanie od siebie jednakowo naładowanych jonów powoduje ich równomierne rozprowadzenie po okręgu, badacze otrzymali w zasadzie gazowy kryształ. I chociaż charakterystyka pola pozostała niezmieniona, stan systemu w teorii również nie powinien się zmienić.
Film promocyjny:
Jednocześnie obliczenia, a następnie obserwacje wykazały, że ten bardzo jonowy pierścień nie będzie nieruchomy. Gazowy kryształ ciągle się obracał, a interakcje jonów były czasami symetryczne, a potem nie. Wszystko to zaobserwowano nawet wtedy, gdy kryształ został schłodzony do prawie zera absolutnego. Zatem struktura ta jest rzeczywiście „kryształem czasu”: wykazuje właściwości okresowości i asymetrii zarówno w przestrzeni, jak iw czasie.
Ciekawe, że swobodnie obracający się pierścień jonów, zaprojektowany przez grupę profesora Zhanga, spowodował, że wielu nie-specjalistów kojarzyło go z perpetuum mobile. Oczywiście kryształ gazu wygląda jak perpetum mobile, ale w rzeczywistości tak nie jest. W końcu ten system nie może wykonać żadnej pracy, ponieważ wszystkie jego elementy mają ten sam poziom energii (zresztą minimum). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki praca jest możliwa tylko w tym układzie, którego składniki mają co najmniej dwa poziomy energetyczne.
Jednocześnie nie oznacza to wcale, że „kryształu czasu” nie można w żaden sposób wykorzystać do celów praktycznych. Profesor Zhang jest przekonany, że na jego podstawie można np. Skonstruować ultraprecyzyjny chronometr. W końcu przejście od symetrii do asymetrii ma wyraźną okresowość. W międzyczasie profesor i jego współpracownicy chcą dokładniej zbadać właściwości cudownej struktury, którą stworzyli …
Anton Evseev