Rühm Ameerika füüsikuid suutis konstrueerida nn ajakristalli - struktuuri, mille võimalikkust ennustati juba ammu. Kristalli eripäraks on võime muutuda perioodiliselt asümmeetriliseks mitte ainult ruumis, vaid ka ajas. Seetõttu saab seda kasutada ülitäpse kronomeetri valmistamiseks.
Kristallid on üldiselt väga paradoksaalsed moodustised. Võtame näiteks nende seose sümmeetriaga: nagu me teame, võib kristalli ise selle välimuse järgi vaadelda lihtsalt ruumilise sümmeetria mudeliks. Kristallimisprotsess pole aga midagi muud kui selle pahatahtlik rikkumine.
Seda illustreerib väga hästi näiteks kristallide moodustumine lahuses, näiteks mõned soolad. Kui me seda protsessi algusest peale analüüsime, on näha, et lahuses endas on osakesed kaootiliselt paigutatud ja kogu süsteem on minimaalsel energiatasandil. Osakeste vastastikmõjud on pöörlemise ja kääride suhtes siiski sümmeetrilised. Pärast vedeliku kristalliseerumist tekib aga seisund, kus mõlemad sümmeetriad on purunenud.
Seega võime järeldada, et tekkiva kristalli osakeste vastastikmõju ei ole üldse sümmeetriline. See eeldab kristallide mitmeid kõige olulisemaid omadusi - näiteks juhivad need struktuurid erinevalt vedelikust või gaasist elektrivoolu või soojust erinevatel suundadel (nad võivad seda juhtida põhja, aga mitte lõunasse). Füüsikas nimetatakse seda omadust anisotroopiaks. Seda kristalset anisotroopiat on inimesed juba pikka aega kasutanud erinevates tööstusharudes, näiteks elektroonikas.
Kristallide veel üks huvitav omadus on see, et süsteemina on see alati minimaalsel energiatasandil. Kõige uudishimulikum on see, et see on palju madalam kui näiteks kristallis "sünnitanud" lahenduses. Võib öelda, et nende struktuuride saamiseks on vaja energiat "ära võtta" algselt põhimikult.
Niisiis, kristalli moodustumisel väheneb süsteemi energiatase ja esialgne ruumiline sümmeetria on purunenud. Ja mitte nii kaua aega tagasi mõtlesid kaks Ameerika Ühendriikide füüsikut Al Shapir ja Frank Wilczek (muide, Nobeli preemia laureaat), kas on võimalik niinimetatud "neljamõõtmelise" kristalli olemasolu, kus sümmeetria purunemine toimub mitte ainult ruumis, vaid ka ajas.
Keeruliste matemaatiliste arvutuste abil suutsid teadlased tõestada, et see on täiesti võimalik. Tulemuseks on süsteem, mis eksisteerib nagu päris kristall, minimaalsel energiatasandil. Kuid kõige huvitavam on see, et teatud perioodiliste struktuuride moodustumise tõttu ei tuleks see ruumis, vaid ajas, asümmeetrilisse lõppseisundisse. Teose autorid nimetasid sellist süsteemi väga pidulikult - "aja kristalliks".
Mõne aja pärast otsustas eksperimentaalfüüsikute rühm eesotsas professor Zhang Xiangiga California ülikoolist (USA) luua selline süsteem mitte enam paberil, vaid tegelikkuses. Teadlased on loonud berülliumiioonide pilve ja seejärel "lukustanud" selle ümmarguse elektromagnetilise välja külge. Kuna võrdselt laetud ioonide elektrostaatiline tõrjumine üksteisest põhjustab nende jaotumise ühtlaselt ringi ümber, said teadlased tegelikult gaasilise kristalli. Ja kuigi välja omadused olid muutumatud, ei oleks teoreetiliselt pidanud süsteemi olekut ka muutma.
Reklaamvideo:
Samal ajal näitasid arvutused ja seejärel vaatlused, et see väga ioonne rõngas ei jää liikumatuks. Gaasiline kristall pöörles pidevalt ja ioonide interaktsioonid olid kohati sümmeetrilised, siis mitte. Kõike seda täheldati isegi siis, kui kristall jahutati peaaegu absoluutse nullini. Seega on see struktuur tõepoolest "ajakristall": sellel on perioodilisuse ja asümmeetria omadused nii ruumis kui ka ajas.
On uudishimulik, et professor Zhangi grupi kujundatud ioonide vabalt pöörlev iooniring pani paljud mittespetsialistid seostama selle igavese liikumismasinaga. Muidugi näeb gaasikristall välja nagu perpetum mobiilne, kuid tegelikult see pole nii. Lõppude lõpuks ei saa see süsteem mingit tööd teha, kuna kõik selle komponendid on samal energiatasemel (pealegi minimaalne). Ja vastavalt termodünaamika teisele seadusele on töö võimalik ainult selles süsteemis, mille komponendid asuvad vähemalt kahel energiatasandil.
Samas ei tähenda see sugugi seda, et "ajakristalli" ei saaks mingil moel praktilisteks vajadusteks kasutada. Professor Zhang on veendunud, et selle põhjal saab konstrueerida näiteks ülitäpse kronomeetri. Lõppude lõpuks on sümmeetrialt asümmeetriale üleminekul väljendunud perioodilisus. Vahepeal soovivad professor ja tema kolleegid põhjalikumalt uurida nende loodud imelise struktuuri omadusi …
Anton Evseev
