Een groep Amerikaanse natuurkundigen was in staat het zogenaamde "kristal van de tijd" te construeren - een structuur waarvan de mogelijkheid al lang geleden werd voorspeld. Een kenmerk van het kristal is het vermogen om periodiek asymmetrisch te worden, niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd. Daarom kan het worden gebruikt om een ultraprecieze chronometer te maken.
Kristallen zijn over het algemeen zeer paradoxale formaties. Neem bijvoorbeeld hun relatie met symmetrie: zoals we weten, kan een kristal zelf, te oordelen naar zijn uiterlijk, eenvoudigweg worden beschouwd als een model van ruimtelijke symmetrie. Het kristallisatieproces is echter niets meer dan een kwaadwillende overtreding.
Dit wordt heel goed geïllustreerd door het voorbeeld van de vorming van kristallen in oplossing, bijvoorbeeld sommige zouten. Als we dit proces vanaf het allereerste begin analyseren, zullen we zien dat in de oplossing zelf de deeltjes chaotisch zijn gerangschikt en dat het hele systeem zich op een minimaal energieniveau bevindt. Interacties tussen deeltjes zijn echter symmetrisch met betrekking tot rotaties en afschuifkrachten. Nadat de vloeistof is gekristalliseerd, ontstaat er echter een toestand waarin beide symmetrieën worden verbroken.
We kunnen dus concluderen dat de interactie tussen deeltjes in het resulterende kristal helemaal niet symmetrisch is. Dit impliceert een aantal van de belangrijkste eigenschappen van kristallen - deze structuren geleiden bijvoorbeeld, in tegenstelling tot vloeistof of gas, elektrische stroom of warmte op verschillende manieren in verschillende richtingen (ze kunnen deze naar het noorden geleiden, maar niet naar het zuiden). In de natuurkunde wordt deze eigenschap anisotropie genoemd. Deze kristallijne anisotropie wordt al lang door mensen gebruikt in verschillende industrieën, zoals elektronica.
Een andere interessante eigenschap van kristallen is dat het als systeem altijd op het minimale energieniveau zit. Het meest merkwaardige is dat het veel lager is dan bijvoorbeeld in de oplossing die het kristal "baarde". Men kan zeggen dat om deze structuren te verkrijgen, het noodzakelijk is om energie "weg te nemen" van het oorspronkelijke substraat.
Dus tijdens de vorming van een kristal neemt het energieniveau van het systeem af en wordt de aanvankelijke ruimtelijke symmetrie verbroken. En nog niet zo lang geleden vroegen twee natuurkundigen uit de Verenigde Staten, Al Shapir en Frank Wilczek (trouwens een Nobelprijswinnaar) zich af of het bestaan van een zogenaamd 'vierdimensionaal' kristal mogelijk was, waar symmetriebreuk niet alleen in de ruimte zou plaatsvinden, maar ook in de tijd.
Met behulp van complexe wiskundige berekeningen konden wetenschappers bewijzen dat dit heel goed mogelijk is. Het resultaat is een systeem dat, zoals een echt kristal, op een minimaal energieniveau bestaat. Maar het meest interessante is dat het door de vorming van bepaalde periodieke structuren, niet in de ruimte, maar na verloop van tijd, tot een asymmetrische eindtoestand zou komen. De auteurs van het werk noemden een dergelijk systeem zeer plechtig - "het kristal van de tijd".
Na een tijdje besloot een groep experimentele fysici onder leiding van professor Zhang Xiang van de Universiteit van Californië (VS) om een dergelijk systeem niet langer op papier, maar in werkelijkheid te creëren. Wetenschappers hebben een wolk van berylliumionen gemaakt en deze vervolgens 'opgesloten' in een cirkelvormig elektromagnetisch veld. Omdat de elektrostatische afstoting van even geladen ionen van elkaar ervoor zorgt dat ze gelijkmatig over de cirkel worden verdeeld, kregen de onderzoekers in wezen een gasvormig kristal. En hoewel de kenmerken van het veld ongewijzigd waren, had de toestand van het systeem in theorie ook niet mogen veranderen.
Promotie video:
Tegelijkertijd toonden berekeningen en vervolgens waarnemingen aan dat deze zeer ionische ring niet onbeweeglijk zal zijn. Het gasvormige kristal draaide constant, en de interacties van de ionen waren soms symmetrisch, dan niet. Dit alles werd zelfs waargenomen toen het kristal werd afgekoeld tot bijna het absolute nulpunt. Deze structuur is dus inderdaad een "kristal van tijd": het vertoont de eigenschappen van periodiciteit en asymmetrie zowel in ruimte als in tijd.
Het is merkwaardig dat de rustig draaiende ring van ionen, ontworpen door de groep van professor Zhang, ervoor zorgde dat veel niet-specialisten het associeerden met een perpetuum mobile. Natuurlijk ziet een gaskristal eruit als een perpetummobiel, maar dat is het in feite niet. Dit systeem kan immers geen enkel werk doen, aangezien alle componenten zich op hetzelfde energieniveau bevinden (bovendien het minimum). En volgens de tweede wet van de thermodynamica is werk alleen mogelijk in dat systeem, waarvan de componenten zich op ten minste twee energieniveaus bevinden.
Tegelijkertijd betekent dit helemaal niet dat het "tijdkristal" op geen enkele manier kan worden gebruikt voor praktische behoeften. Professor Zhang is ervan overtuigd dat op basis daarvan bijvoorbeeld een ultraprecieze chronometer kan worden geconstrueerd. De overgang van symmetrie naar asymmetrie heeft immers een uitgesproken periodiciteit. Ondertussen willen de professor en zijn collega's een meer gedetailleerde studie doen van de eigenschappen van de prachtige structuur die ze hebben gemaakt …
Anton Evseev
