Ryhmä amerikkalaisia fyysikoita pystyi rakentamaan niin kutsutun "ajan kiteen" - rakenteen, jonka mahdollisuuden ennustettiin kauan sitten. Kristallin piirteenä on kyky tulla ajoittain epäsymmetriseksi paitsi avaruudessa, mutta myös ajassa. Siksi sitä voidaan käyttää erittäin tarkan kronometrin tekemiseen.
Kiteet ovat yleensä hyvin paradoksaalisia muodostelmia. Otetaan esimerkiksi heidän suhde symmetriaan: kuten tiedämme, itse kristallia voidaan sen ulkoasun perusteella arvioida yksinkertaisesti tilallisen symmetrian malliksi. Kiteytysprosessi ei ole kuitenkaan muuta kuin sen haitallista rikkomusta.
Tätä kuvaa hyvin esimerkki kiteiden muodostumisesta liuoksessa, esimerkiksi jotkut suolat. Jos analysoimme tätä prosessia alusta alkaen, nähdään, että itse ratkaisussa hiukkaset on järjestetty kaoottisesti ja koko järjestelmä on minimienergiatasolla. Hiukkasten väliset vuorovaikutukset ovat kuitenkin symmetrisiä kiertojen ja leikkureiden suhteen. Sen jälkeen kun neste on kiteytynyt, syntyy tila, jossa molemmat näistä symmetrioista ovat murtuneet.
Siten voidaan päätellä, että tuloksena olevan kiteen hiukkasten välinen vuorovaikutus ei ole ollenkaan symmetrinen. Tämä merkitsee useita kiteiden tärkeimpiä ominaisuuksia - esimerkiksi nämä rakenteet, toisin kuin neste tai kaasu, johtavat sähkövirtaa tai lämpöä eri tavoin eri suuntiin (ne voivat johtaa sitä pohjoiseen, muttei etelään). Fysiikassa tätä ominaisuutta kutsutaan anisotropiaksi. Tätä kiteistä anisotropiaa ovat jo kauan käyttäneet ihmiset eri aloilla, kuten elektroniikassa.
Toinen mielenkiintoinen ominaisuus kiteissä on, että järjestelmä on aina energian minimitasolla. Mikä on utelias, on se, että se on paljon alhaisempi kuin esimerkiksi ratkaisussa, joka "synnytti" kristallin. Voidaan sanoa, että näiden rakenteiden saamiseksi on tarpeen "poistaa" energia alkuperäisestä alustasta.
Joten kiteen muodostumisen aikana järjestelmän energian taso laskee ja alkuperäinen spatiaalinen symmetria rikkoutuu. Ja ei niin kauan sitten, kaksi fyysikkoa Yhdysvalloista, Al Shapir ja Frank Wilczek (muuten Nobel-palkinnon saaja), pohtivat, onko mahdollista niin kutsutun "neljäulotteisen" kristallin olemassaoloa, jossa symmetrian murtuminen tapahtuisi paitsi avaruudessa, mutta myös ajassa.
Monimutkaisten matemaattisten laskelmien avulla tutkijat pystyivät todistamaan, että tämä on täysin mahdollista. Tuloksena on järjestelmä, joka on olemassa, kuten todellinen kide, minimienergiatasolla. Mutta mielenkiintoisinta on, että tiettyjen jaksollisten rakenteiden muodostumisen vuoksi, ei tilassa, vaan ajassa, se tulee epäsymmetriseen lopputilaan. Teoksen kirjoittajat kutsuivat tällaista järjestelmää erittäin juhlallisesti - "ajan kristalliksi".
Jonkin ajan kuluttua ryhmä kokeellisia fyysikoita, joita johti professori Zhang Xiang Kalifornian yliopistosta (USA), päätti luoda tällaisen järjestelmän enää paperille, mutta todellisuudessa. Tutkijat ovat luoneet berryyli-ionipilven ja "lukittaneet" sen sitten ympyränmuotoiseen sähkömagneettiseen kenttään. Koska yhtä latautuneiden ionien sähköstaattinen heijastus toisistaan saa ne jakautumaan tasaisesti ympyrän ympäri, tutkijat saivat pohjimmiltaan kaasumaisen kiteen. Ja vaikka kentän ominaisuudet olivat muuttumattomat, järjestelmän tilan teoriassa ei myöskään olisi pitänyt muuttua.
Mainosvideo:
Samalla laskelmat ja sitten havainnot osoittivat, että tämä hyvin ioninen rengas ei ole liikettä. Kaasumainen kide pyöri jatkuvasti, ja ionien vuorovaikutus oli joskus symmetrinen, niin ei. Kaikki tämä havaittiin, vaikka kide jäähdytettiin melkein absoluuttiseen nollaan. Siksi tämä rakenne on todellakin "ajan kide": sillä on jaksollisuuden ja epäsymmetrian ominaisuudet sekä tilassa että ajassa.
On uteliasta, että professori Zhangin ryhmän suunnittelema rauhassa pyörivä ionirengas sai monet ei-asiantuntijat yhdistämään sen ikuiseen liikekoneeseen. Kaasukristalli näyttää tietysti liikkumattomalta, mutta itse asiassa se ei ole. Loppujen lopuksi tämä järjestelmä ei voi tehdä mitään työtä, koska kaikki sen komponentit ovat samalla energiatasolla (lisäksi minimi). Ja termodynamiikan toisen lain mukaan työ on mahdollista vain siinä järjestelmässä, jonka komponentit ovat ainakin kahdella energiatasolla.
Samalla se ei tarkoita ollenkaan, että "aikakristallia" ei voida käyttää millään tavalla käytännön tarpeisiin. Professori Zhang on vakuuttunut siitä, että sen perusteella voidaan rakentaa esimerkiksi erittäin tarkka kronometri. Loppujen lopuksi siirtymä symmetriasta epäsymmetriaan on selvästi jaksollinen. Sillä välin, professori ja hänen kollegansa haluavat tehdä yksityiskohtaisemman tutkimuksen heidän luoman upearakenteen ominaisuuksista …
Anton Evseev
