Un grup de fizicieni americani au putut să construiască așa-numitul „cristal al timpului” - o structură, a cărei posibilitate a fost prevăzută cu mult timp în urmă. O caracteristică a cristalului este capacitatea de a deveni periodic asimetric nu numai în spațiu, ci și în timp. Prin urmare, poate fi utilizat pentru a realiza un cronometru ultra-precis.
Cristalele sunt, în general, formațiuni foarte paradoxale. Luăm, de exemplu, relația lor cu simetria: așa cum știm, un cristal în sine, judecând după aspectul său, poate fi considerat doar un model de simetrie spațială. Cu toate acestea, procesul de cristalizare nu este altceva decât încălcarea sa rău intenționată.
Acest lucru este foarte bine ilustrat de exemplul formării de cristale în soluție, de exemplu, unele săruri. Dacă analizăm acest proces de la bun început, se va vedea că în soluția în sine particulele sunt aranjate haotic, iar întregul sistem se află la un nivel minim de energie. Cu toate acestea, interacțiunile dintre particule sunt simetrice în raport cu rotațiile și foarfecele. Cu toate acestea, după ce lichidul s-a cristalizat, apare o stare în care ambele simetrii sunt rupte.
Astfel, putem concluziona că interacțiunea dintre particulele din cristalul rezultat nu este deloc simetrică. Acest lucru implică o serie de proprietăți cele mai importante ale cristalelor - de exemplu, aceste structuri, spre deosebire de lichid sau gaz, conduc curent electric sau căldură în moduri diferite în direcții diferite (ele pot conduce către nord, dar nu spre sud). În fizică, această proprietate se numește anisotropie. Această anisotropie cristalină a fost folosită de multă vreme de către oameni în diverse industrii, cum ar fi electronica.
O altă proprietate interesantă a cristalelor este că, ca sistem, este întotdeauna la nivelul minim de energie. Ceea ce este cel mai curios este că este mult mai mic decât, de exemplu, în soluția care „a născut” cristalul. Se poate spune că, pentru a obține aceste structuri, este necesară „scoaterea” energiei din substratul inițial.
Deci, în timpul formării unui cristal, nivelul de energie al sistemului scade și simetria spațială inițială este ruptă. Și nu cu atât de mult timp în urmă, doi fizicieni din Statele Unite, Al Shapir și Frank Wilczek (apropo, laureat Nobel), s-au întrebat dacă este posibilă existența unui așa-numit cristal „în patru dimensiuni”, unde ruperea simetriei ar avea loc nu numai în spațiu, ci și în timp.
Cu ajutorul unor calcule matematice complexe, oamenii de știință au putut demonstra că acest lucru este destul de posibil. Rezultatul este un sistem care există, ca un cristal real, la un nivel minim de energie. Dar cel mai interesant este că, datorită formării anumitor structuri periodice, nu în spațiu, ci în timp, s-ar ajunge la o stare finală asimetrică. Autorii lucrării au numit un astfel de sistem foarte solemn - „cristalul timpului”.
După un timp, un grup de fizicieni experimentali conduși de profesorul Zhang Xiang de la Universitatea din California (SUA) au decis să creeze un astfel de sistem nu mai pe hârtie, ci în realitate. Oamenii de știință au creat un nor de ioni de beriliu, apoi l-au „blocat” într-un câmp electromagnetic circular. Întrucât repulsia electrostatică a ionilor încărcați în egală măsură unul de la celălalt determină distribuirea lor uniformă în jurul cercului, cercetătorii au obținut în esență un cristal gazos. Și în timp ce caracteristicile câmpului erau neschimbate, starea sistemului, în teorie, nici nu ar fi trebuit să se schimbe.
Video promotional:
În același timp, calculele și apoi observațiile au arătat că acest inel foarte ionic nu va fi nemișcat. Cristalul gazos se rotea constant, iar interacțiunile ionilor erau uneori simetrice, apoi nu. Toate acestea au fost observate chiar și atunci când cristalul a fost răcit până la zero aproape absolut. Astfel, această structură este într-adevăr un „cristal al timpului”: prezintă proprietățile periodicității și asimetriei atât în spațiu, cât și în timp.
Este curios că inelul rotativ de ioni, proiectat de grupul profesorului Zhang, a determinat mulți nespecialiști să-l asocieze cu o mașină perpetuă de mișcare. Desigur, un cristal de gaz arată ca un mobil perpetu, dar de fapt nu este. La urma urmei, acest sistem nu poate face nicio lucrare, deoarece toate componentele sale sunt la același nivel de energie (în plus, minimul). Și conform celei de-a doua legi a termodinamicii, munca este posibilă numai în acest sistem, ale cărui componente sunt cel puțin la două niveluri de energie.
În același timp, acest lucru nu înseamnă deloc faptul că „cristalul timpului” nu poate fi folosit în niciun fel pentru nevoile practice. Profesorul Zhang este convins că, de exemplu, un cronometru ultra-precis poate fi construit pe baza sa. La urma urmei, trecerea de la simetrie la asimetrie are o pronunțată periodicitate. Între timp, profesorul și colegii săi doresc să facă un studiu mai detaliat al proprietăților minunatei structuri pe care au creat-o …
Anton Evseev
