Amerikāņu fiziķu grupa spēja uzbūvēt tā dēvēto “laika kristālu” - struktūru, kuras iespējamība tika paredzēta jau sen. Kristāla iezīme ir spēja periodiski kļūt asimetriskai ne tikai telpā, bet arī laikā. Tāpēc to var izmantot, lai izgatavotu īpaši precīzu hronometru.
Kristāli parasti ir ļoti paradoksāli veidojumi. Ņem, piemēram, viņu attiecības ar simetriju: kā mēs zinām, pats kristāls, spriežot pēc tā izskata, var tikt uzskatīts par vienkārši telpiskās simetrijas modeli. Tomēr kristalizācijas process nav nekas cits kā tā ļaunprātīgs pārkāpums.
To ļoti labi parāda kristālu veidošanās piemērs šķīdumā, piemēram, daži sāļi. Ja mēs analizēsim šo procesu no paša sākuma, būs redzams, ka pašā šķīdumā daļiņas ir izkārtotas haotiski un visa sistēma ir minimālā enerģijas līmenī. Tomēr daļiņu mijiedarbība ir simetriska attiecībā pret rotācijām un šķērēm. Tomēr pēc tam, kad šķidrums ir izkristalizējies, rodas stāvoklis, kurā abas šīs simetrijas tiek sagrautas.
Tādējādi mēs varam secināt, ka iegūtā kristāla daļiņu mijiedarbība nepavisam nav simetriska. Tas nozīmē vairākas svarīgākās kristālu īpašības - piemēram, šīs struktūras atšķirībā no šķidruma vai gāzes dažādos veidos dažādos virzienos vada elektrisko strāvu vai siltumu (tās to var vadīt ziemeļu virzienā, bet ne dienvidu virzienā). Fizikā šo īpašību sauc par anizotropiju. Šo kristālisko anizotropiju cilvēki jau sen izmanto dažādās nozarēs, piemēram, elektronikā.
Vēl viena interesanta kristālu īpašība ir tā, ka tā kā sistēma vienmēr ir minimālā enerģijas līmenī. Kas ir visvairāk ziņkārīgs, ka tas ir daudz zemāks nekā, piemēram, šķīdumā, kas "dzemdēja" kristālu. Var teikt, ka, lai iegūtu šīs struktūras, ir nepieciešams "atņemt" enerģiju no sākotnējā substrāta.
Tātad, kristāla veidošanās laikā sistēmas enerģijas līmenis samazinās un sākotnējā telpiskā simetrija tiek salauzta. Un ne tik sen, divi fiziķi no Amerikas Savienotajām Valstīm, Al Shapir un Franks Wilczek (starp citu, Nobela prēmijas laureāts), domāja, vai ir iespējama tā dēvētā "četrdimensiju" kristāla esamība, kur simetrijas pārtraukšana notiktu ne tikai telpā, bet arī laikā.
Ar sarežģītu matemātisko aprēķinu palīdzību zinātnieki spēja pierādīt, ka tas ir pilnīgi iespējams. Rezultāts ir sistēma, kas pastāv līdzīgi kā īsts kristāls minimālā enerģijas līmenī. Bet pats interesantākais ir tas, ka noteiktu periodisku struktūru veidošanās dēļ nevis telpā, bet laikā, tas nonāktu asimetriskā gala stāvoklī. Darba autori šādu sistēmu sauca ļoti svinīgi - “laika kristālu”.
Pēc kāda laika eksperimentālo fiziķu grupa, ko vadīja profesors Džans Xiangs no Kalifornijas universitātes (ASV), nolēma izveidot šādu sistēmu vairs nevis uz papīra, bet patiesībā. Zinātnieki ir izveidojuši berilija jonu mākoni, un pēc tam to "aizslēdza" apļveida elektromagnētiskajā laukā. Tā kā vienādi uzlādētu jonu elektrostatiskā atgrūšana viens no otra izraisa to vienmērīgu sadalījumu pa apli, pētnieki būtībā ieguva gāzveida kristālu. Un, lai arī lauka raksturlielumi nebija mainīti, teorētiski arī sistēmas stāvoklim nebija jāmainās.
Reklāmas video:
Tajā pašā laikā aprēķini un pēc tam novērojumi parādīja, ka šis ļoti joniskais gredzens nebūs nekustīgs. Gāzveida kristāls pastāvīgi rotēja, un jonu mijiedarbība dažkārt bija simetriska, tad nē. Tas viss tika novērots pat tad, kad kristālu atdzesēja līdz gandrīz absolūtai nullei. Tādējādi šī struktūra patiešām ir "laika kristāls": tai ir periodiskuma un asimetrijas īpašības gan telpā, gan laikā.
Ir ziņkārīgi, ka nesteidzīgi rotējošais jonu gredzens, kuru projektēja profesora Džangas grupa, daudziem nespecialistiem lika to saistīt ar pastāvīgu kustības mašīnu. Protams, gāzes kristāls izskatās kā perpetum mobilais, bet patiesībā tā nav. Galu galā šī sistēma nevar veikt nekādu darbu, jo visi tās komponenti ir vienā enerģijas līmenī (turklāt minimālais). Un saskaņā ar otro termodinamikas likumu darbs ir iespējams tikai tajā sistēmā, kuras sastāvdaļas ir vismaz divos enerģijas līmeņos.
Tajā pašā laikā tas vispār nenozīmē, ka "laika kristālu" nekādā veidā nevar izmantot praktiskām vajadzībām. Profesors Džans ir pārliecināts, ka, piemēram, uz tā pamata var izveidot īpaši precīzu hronometru. Galu galā pārejai no simetrijas uz asimetriju ir izteikta periodiskums. Pa to laiku profesors un viņa kolēģi vēlas detalizētāk izpētīt viņu radītās brīnišķīgās struktūras īpašības …
Antons Evsejevs
