En grupp amerikanska fysiker kunde konstruera den så kallade "tidens kristall" - en struktur vars möjlighet förutses för länge sedan. En egenskap hos kristallen är förmågan att periodvis bli asymmetrisk inte bara i rymden utan också i tid. Därför kan den användas för att skapa en ultra-exakt kronometer.
Kristaller är i allmänhet mycket paradoxala formationer. Ta till exempel deras förhållande till symmetri: som vi vet kan en kristall i sig, utifrån dess utseende, bara betraktas som en modell för rumslig symmetri. Kristallisationsprocessen är dock inget annat än dess skadliga kränkningar.
Detta illustreras mycket väl med exemplet på bildning av kristaller i lösning, exempelvis vissa salter. Om vi analyserar denna process från början kommer det att ses att i själva lösningen är partiklarna arrangerade kaotiskt, och hela systemet ligger på en minsta energinivå. Men interaktioner mellan partiklar är symmetriska med avseende på rotationer och sax. Efter det att vätskan har kristalliserats uppstår emellertid ett tillstånd där båda dessa symmetrier bryts.
Således kan vi dra slutsatsen att interaktionen mellan partiklar i den resulterande kristallen inte alls är symmetrisk. Detta innebär ett antal av de viktigaste egenskaperna hos kristaller - till exempel leder dessa strukturer, till skillnad från vätska eller gas, elektrisk ström eller värme på olika sätt i olika riktningar (de kan leda den norrut, men inte i söder). I fysik kallas den här egenskapen anisotropi. Denna kristallina anisotropi har länge använts av människor i olika branscher, såsom elektronik.
En annan intressant egenskap hos kristaller är att den som system alltid är på minsta energinivå. Det som är mest nyfiken är att det är mycket lägre än till exempel i lösningen som "födde" kristallen. Det kan sägas att för att erhålla dessa strukturer är det nödvändigt att "ta bort" energi från det ursprungliga underlaget.
Så under bildningen av en kristall sjunker energinivån i systemet och den initiala rumsliga symmetrin bryts. Och för inte så länge sedan undrade två fysiker från Förenta staterna, Al Shapir och Frank Wilczek (förresten, en nobelpristagare) om förekomsten av en så kallad "fyrdimensionell" kristall är möjlig, där symmetribrytning skulle inträffa inte bara i rymden, utan också i tid.
Med hjälp av komplexa matematiska beräkningar kunde forskare bevisa att detta är fullt möjligt. Resultatet är ett system som existerar, som en riktig kristall, på en minsta energinivå. Men det mest intressanta är att på grund av bildandet av vissa periodiska strukturer, inte i rymden, utan med tiden, skulle det komma till ett asymmetriskt slutligt tillstånd. Författarna till verket kallade ett sådant system mycket högtidligt - "tidens kristall".
Efter ett tag beslutade en grupp experimentfysiker under ledning av professor Zhang Xiang från University of California (USA) att skapa ett sådant system inte längre på papper utan i verkligheten. Forskare har skapat ett moln av berylliumjoner och sedan "låst" det i ett cirkulärt elektromagnetiskt fält. Eftersom den elektrostatiska avstötningen av lika laddade joner från varandra får dem att fördelas jämnt runt cirkeln, fick forskarna faktiskt en gasformig kristall. Och medan fältets egenskaper var oförändrade, borde systemets tillstånd i teorin inte heller ha förändrats.
Kampanjvideo:
Samtidigt visade beräkningar och sedan observationer att denna mycket joniska ring inte kommer att vara rörlig. Den gasformiga kristallen roterade ständigt, och jonernas interaktion var ibland symmetriska, då inte. Allt detta observerades även när kristallen kyldes till nästan absolut noll. Således är denna struktur verkligen en "tidskristall": den uppvisar egenskaperna för periodicitet och asymmetri både i rymden och i tiden.
Det är underligt att den maklig roterande jonringen, designad av professor Zhangs grupp, fick många icke-specialister att associera den med en evig rörelsesmaskin. Naturligtvis ser en gaskristall ut som en perpetum-mobil, men det är det inte. Trots allt kan detta system inte utföra något arbete, eftersom alla dess komponenter är på samma energinivå (dessutom minsta). Och enligt termodynamikens andra lag är arbete endast möjligt i det systemet, vars komponenter är åtminstone på två energinivåer.
Samtidigt betyder detta inte alls att "tidskristallen" inte kan användas på något sätt för praktiska behov. Professor Zhang är övertygad om att till exempel en ultra-exakt kronometer kan konstrueras på sin grund. När allt kommer omkring har övergången från symmetri till asymmetri en uttalad periodicitet. Under tiden vill professorn och hans kollegor göra en mer detaljerad studie av egenskaperna hos den underbara strukturen de skapade …
Anton Evseev
