Нещодавно група американських фізиків змогла сконструювати так званий "кристал часу" - структуру, можливість існування якої була передбачена вже давно. Особливістю кристала є здатність періодично стає асиметричним не тільки в просторі, але і в часі. Тому з нього можна зробити надточний хронометр.

Кристали - взагалі дуже парадоксальні освіти. Взяти хоча б їх відносини з симетрією: як ми знаємо, сам по собі кристал, якщо судити по його зовнішньому вигляду, можна вважати просто зразком просторової симетрії. Однак процес кристалізації є не що інше, як її злісне порушення.

Це дуже добре ілюструє приклад утворення кристалів у розчині, наприклад, яких-небудь солей. Якщо проаналізувати цей процес з самого початку, то буде видно, що в самому розчині частинки розташовані хаотично, і вся система знаходиться на мінімальному енергетичному рівні. Проте взаємодії між частинками симетричні щодо поворотів і зрушень. Однак після того, як рідина кристалізувалася, виникає стан, в якому обидві ці симетрії виявляються порушеними.

Таким чином, можна зробити висновок про те, що взаємодія між частинками в отриманому кристалі зовсім не симетрично. З цього випливає ряд найважливіших властивостей кристалів - наприклад, ці структури, на відміну від рідини або газу, по-різному проводять електричний струм або тепло в різних напрямках (можуть проводити на північ, а на південь - ні). У фізиці цей атрибут називається анізотропією. Ця кристалічна анізотропія вже давно використовується людиною в різних галузях, наприклад, в електроніці.

Ще одним цікавим властивістю кристалів є те, що він, як система, завжди знаходиться на мінімальному енергетичному рівні. Що найцікавіше, він набагато нижчий, ніж, наприклад, в розчині, який"породив" кристал. Можна сказати, що для того, щоб отримати дані структури, потрібно "віднімати" енергію у вихідного субстрату.

Отже, при утворенні кристала відбувається зниження енергетичного рівня системи і порушення вихідної просторової симетрії. А не так давно два фізика з США, Ал Шэпир і Френк Вільчек (до речі, нобелівський лауреат), задумалися, чи можливе існування так званого "чотиривимірного" кристала, де порушення симетрії відбувалося не тільки в просторі, але і в часі.

За допомогою складних математичних викладок вчені змогли довести, що це цілком можливо. В результаті вийшла система, що існує, як і реальний кристал, на мінімальному енергетичному рівні. Але найцікавіше полягає в тому, що вона за рахунок утворення певних періодичних структур не в просторі, а в часі приходила б до несимметричному кінцевого стану. Автори роботи назвали таку систему дуже урочисто - "кристалом часу".

Через деякий час група фізиків-експериментаторів на чолі з професором Чжан Сяном з Університету Каліфорнії (США) вирішила створити таку систему вже не на папері, а в реальності. Вчені створили хмара іонів берилію, після чого "закрили" його в круговому електромагнітному полі. Оскільки електростатичне відштовхування однаково заряджених іонів один від одного змушує їх розподілятися рівномірно по колу, дослідники, по суті справи, отримали газоподібний кристал. І поки характеристики поля були незмінними, то стан системи, по ідеї, теж не повинно змінюватися.

У той же час розрахунки, а потім і спостереження показали, що це саме іонне кільце не буде нерухомим. Газоподібний кристал постійно обертався, і взаємодії іонів при цьому були симетричними, то ні. Все це спостерігалося навіть тоді, коли кристал охолодили практично до абсолютного нуля. Таким чином, ця структура дійсно є "кристалом часу": вона виявляє властивості періодичності та асиметрії як у просторі, так і в часі.

Цікаво, що неспішно обертове кільце іонів, сконструйоване групою професора Чжана, викликало у багатьох неспеціалістів асоціацію з вічним двигуном. Звичайно, газовий кристал зовні схожий на perpetum mobile, однак насправді таким не є. Адже ця система не може зробити жодної роботи, так як всі її складові знаходяться на одному енергетичному рівні (до того ж, мінімального). А згідно з другим законом термодинаміки, робота можлива лише в тій системі, складові якої знаходяться мінімум на двох енергетичних рівнях.

В той же час це зовсім не означає, що "кристал часу" ніяк не можна використовувати для практичних потреб. Професор Чжан переконаний, що на його основі можна сконструювати, наприклад, надточний хронометр. Адже перехід від симетрії до асиметрії має яскраво виражену періодичність. Поки ж професор і його колеги хочуть зайнятися більш детальним вивченням властивостей створеної ними чудової структури...


Антон Євсєєв