Mokslo ir technologijų pasaulis

Ar laiko kristalai – tik matematinė keistenybė, ar jie gali iš tiesų egzistuoti? Fizikai apie tai diskutuoja nuo 2012 metų, kuomet Nobelio premijos laureatas Frankas Wilczekas pasiūlė laiko kristalų idėją. Jis teigė, kad šie hipotetiniai objektai yra tarsi amžinieji varikliai – jie gali periodiškai judėti, pavyzdžiui, apskrita orbita, būdami žemiausioje savo energijos būsenoje.

Teoriškai objektai tokioje būsenoje apskritai negali judėti, nes tam neturi pakankamai energijos. Todėl fizikai siūlė įvairius paaiškinimus, kodėl laiko kristalai realybėje negali egzistuoti.

Nors laiko kristalų nebūtų įmanoma panaudoti energijai išgauti (kadangi sutrikdyti jie nustoja judėti) ir jie nepažeidžia antrojo termodinamikos dėsnio (jis sako, kad uždaroje sistemoje šiluma iš šaltesnio kūno negali būti perduota šiltesniam), jie prieštarauja fundamentaliai fizikos dėsnių simetrijai. Paprastai sakant, laiko kristalai pažeidžia laiko ir erdvės simetriją.

Visgi žurnale „Physical Review Letters“ paskelbtame tyrime fizikai iš Kalifornijos universiteto Santa Barbaroje ir „Microsoft Station Q“ tyrimų laboratorijos pademonstravo, kad laiko kristalai gali egzistuoti. Fizikai sutelkė dėmesį į labiausiai stebinančią laiko kristalų savybę – fundamentaliąją simetriją jie panaikina spontaniškai.

„Esminis skirtumas yra tarp tikslaus ir spontaniško simetrijos panaikinimo, – teigė tyrimo bendraautorius Dominicas Else. – Kuomet simetrija panaikinama spontaniškai, tai reiškia, kad gamtos dėsniai simetriją išlaiko, tačiau gamta pasirenka objekto būseną, kuri simetrijos neišlaiko.“

Jei tai iš tiesų vyksta, tuomet už laiko kristalus atsakingi gamtos dėsniai laikui bėgant nesikeičia, tačiau tai daro patys laiko kristalai – dėl savo judėjimo žemiausioje energijos būsenoje jie spontaniškai panaikina simetriją.

Nors šis reiškinys iki šiol nebuvo stebėtas tiesiogiai, spontaniškas simetrijos nutraukimas nėra naujiena, pavyzdžiui, jis įvyksta magnetuose. Gamtos dėsniai neparenka, kuri magneto pusė turės šiaurinį polių, o kuri pietinį.

Išskirtinė magnetinių medžiagų savybė yra ta, kad jie spontaniškai panaikina šią simetriją ir patys pasirenka, kuri pusė turės šiaurinį polių. Kitas pavyzdys – kristalai. Nors erdvinės simetrijos dėsnis sako, kad visos vietos erdvėje yra vienodai įmanomos, kristalai šią taisyklę pažeidžia – juose atomai spontaniškai išsidėsto trimatėje erdvėje, tačiau jėgų balansas neleidžia atomams įsikurti tarp gardelės taškų.

Tai patraukė F.Wilczeko dėmesį: remiantis lygtimis, atomai turėtų sudaryti pasikartojančią gardelę, taigi kristalai griauna laiko simetriją.

Bendroji reliatyvumo teorija ir kvantinė mechanika laiko ir erdvės dimensijas aiškina skirtingai. Laiko kristalai gali pateikti atsakymą, kuri iš šių teorijų yra tikslesnė. Mokslininkai tikisi ateityje atlikti eksperimentą su įkalintais atomais, jonais ar superlaidžiais kubitais, kad sukurtų dirbtinius laiko kristalus, o tuomet išmatuotų, kaip šios sistemos kinta.