Gdy fizyka przestaje być intuicyjna
Kryształy czasu to teoretycznie przewidziany stan materii, w którym regularność przejawia się nie w przestrzeni, lecz w czasie. Podczas gdy zwykły kryształ, jak kwarc bądź sól, ma uporządkowaną, powtarzalną strukturę atomową, tak jego czasowy odpowiednik „tyka”. W praktyce oznacza to, iż jego cząstki oscylują w stałych, niekończących się cyklach. Przez długi czas uważano, że do zaistnienia tego zjawiska niezbędne są ekstremalne warunki i świat kwantowy. Odkryty układ składa się z lewitujących kulek styropianowych różnej wielkości, utrzymywanych w zawieszeniu przez akustyczny lewitator. Urządzenie to generuje fale dźwiękowe na tyle intensywne, że potrafią unieść małe obiekty. Kulki nie tylko unoszą się w powietrzu – dodatkowo wzajemnie na siebie oddziałują, wymieniając energię poprzez te same fale.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
Jedno z podstawowych praw fizyki, trzecia zasada dynamiki Newtona, głosi, że każdej akcji towarzyszy równa co do wartości i przeciwna co do kierunku reakcja. Gdy popchniesz stół, on „odpycha” twoją dłoń z identyczną siłą. W nowo zaobserwowanym krysztale czasu zasada ta przestaje obowiązywać, ponieważ cząstki poruszają się w sposób niewzajemny. Mechanizm jest dość prosty do wyjaśnienia. Większe kulki styropianowe rozpraszają więcej energii dźwiękowej niż mniejsze. Prowadzi to do asymetrycznych oddziaływań: duża cząstka wpływa na małą znacznie silniej, niż mała na dużą. W świecie bezpośrednich zderzeń takie zjawisko byłoby niemożliwe, lecz w środowisku fal akustycznych reguły się zmieniają. Dzięki tej nierównowadze pary cząstek są w stanie czerpać energię z otaczającej fali dźwiękowej, podtrzymując swoje oscylacje pomimo tarcia powietrza. Robią to bez zewnętrznego, okresowego napędzania. Mówiąc krótko, układ sam się organizuje i utrzymuje własny rytm.
Prosty eksperyment, głębokie implikacje
Wyniki badań opublikowano w Physical Review Letters. Prostota konfiguracji eksperymentalnej jest tu nie mniej ważna niż sam efekt. Większość wcześniejszych badań nad kryształami czasu wymagała zaawansowanych układów kwantowych schłodzonych niemal do zera absolutnego. Tymczasem ten układ działa w temperaturze pokojowej, a do jego obserwacji nie potrzeba skomplikowanej aparatury.
Czytaj też: Światło w kształcie pączka uratuje Wi-Fi? Nowa fizyka obiecuje koniec z gubieniem zasięgu
Ta dostępność otwiera ciekawe możliwości aplikacyjne, choć na razie w sferze badań podstawowych. Zrozumienie niewzajemnych oddziaływań może rzucić światło na działanie zegarów biologicznych, wszak nasze rytmy dobowe również opierają się na sieciach reakcji biochemicznych o charakterze niesymetrycznym. Być może w przyszłości pomoże to w łagodzeniu zaburzeń snu lub skutków jet lagu. W określonych warunkach spontanicznie aktywne oscylacje łamią symetrię czasoprzestrzenną, co jest definiującą cechą kryształu czasu, czyli struktury powtarzającej się w czasie analogicznie do zwykłego kryształu w przestrzeni.