Група американски физици успяха да конструират така наречения "кристал на времето" - структура, възможността за която беше предвидена отдавна. Характеристика на кристала е способността периодично да става асиметрична не само в пространството, но и във времето. Поради това може да се използва за направата на ултра точен хронометър.
Кристалите обикновено са много парадоксални образувания. Вземете например връзката им със симетрията: както знаем, самият кристал, съдейки по външния му вид, може да се счита за просто модел на пространствена симетрия. Процесът на кристализация обаче не е нищо повече от злонамереното му нарушение.
Това е много добре илюстрирано от примера за образуването на кристали в разтвор, например, някои соли. Ако анализираме този процес от самото начало, ще се види, че в самия разтвор частиците са подредени хаотично и цялата система е на минимално енергийно ниво. Взаимодействията между частиците обаче са симетрични по отношение на въртенията и ножиците. След като обаче течността кристализира, възниква състояние, при което и двете тези симетрии са нарушени.
Така можем да заключим, че взаимодействието между частиците в получения кристал изобщо не е симетрично. Това предполага редица най-важни свойства на кристалите - например тези структури, за разлика от течност или газ, провеждат електрически ток или топлина по различни начини в различни посоки (те могат да го проведат на север, но не и на юг). Във физиката това свойство се нарича анизотропия. Тази кристална анизотропия отдавна се използва от хората в различни индустрии, като електроника.
Друго интересно свойство на кристалите е, че като система той винаги е на минимално енергийно ниво. Най-любопитното е, че той е много по-нисък, отколкото например в разтвора, който „роди“кристала. Може да се каже, че за да се получат тези структури, е необходимо да се „отнеме“енергия от първоначалния субстрат.
Така че по време на образуването на кристал енергийното ниво на системата намалява и първоначалната пространствена симетрия се нарушава. И не толкова отдавна двама физици от Съединените щати, Ал Шапир и Франк Уилчек (между другото, нобелов лауреат), се зачудиха дали е възможно съществуването на така наречения "четириизмерен" кристал, при който да се нарушава симетрията не само в пространството, но и във времето.
С помощта на сложни математически изчисления учените успяха да докажат, че това е напълно възможно. Резултатът е система, която съществува като истински кристал на минимално енергийно ниво. Но най-интересното е, че поради формирането на определени периодични структури, не в пространството, а във времето, би се стигнало до асиметрично окончателно състояние. Авторите на произведението нарекли такава система много тържествено - „кристалът на времето“.
След известно време група експериментални физици, водени от професор Джан Ксианг от Калифорнийския университет (САЩ), решават да създадат такава система вече не на хартия, а в действителност. Учените са създали облак от берилиеви йони и след това са го „заключили“в кръгово електромагнитно поле. Тъй като електростатичното отблъскване на еднакво заредени йони един от друг кара те да се разпределят равномерно около кръга, изследователите всъщност са получили газообразен кристал. И макар че характеристиките на полето бяха непроменени, състоянието на системата на теория също не би трябвало да се промени.
Промоционално видео:
В същото време изчисленията, а след това и наблюденията, показаха, че този много йонен пръстен няма да бъде неподвижен. Газообразният кристал непрекъснато се върти и взаимодействията на йоните понякога са били симетрични, тогава не. Всичко това се наблюдава дори когато кристалът се охлажда до почти абсолютна нула. По този начин тази структура наистина е „кристал на времето“: тя проявява свойствата на периодичност и асиметрия както в пространството, така и във времето.
Любопитно е, че небрежно въртящият се пръстен от йони, проектиран от групата на професор Джан, накара много неспециалисти да го свържат с вечна машина за движение. Разбира се, газов кристал прилича на подвижен перпетум, но всъщност не е така. В крайна сметка тази система не може да свърши никаква работа, тъй като всички нейни компоненти са на едно и също ниво на енергия (освен това минимално). И според втория закон на термодинамиката, работата е възможна само в тази система, чиито компоненти са поне на две енергийни нива.
В същото време това изобщо не означава, че „времевият кристал“не може да бъде използван по никакъв начин за практически нужди. Професор Джан е убеден, че например на негова основа може да се изгради ултра точен хронометър. В крайна сметка, преходът от симетрия към асиметрия има изразена периодичност. Междувременно професорът и неговите колеги искат да направят по-подробно проучване на свойствата на прекрасната структура, която създадоха …
Антон Евсеев