Кристаллы времени и правда существуют

Кристаллы — вообще весьма парадоксальные образования. Взять хотя бы их отношения с симметрией: как мы знаем, сам по себе кристалл, если судить по его внешнему виду, можно считать просто образцом пространственной симметрии. Однако процесс кристаллизации есть не что иное, как ее злостное нарушение.

Это очень хорошо иллюстрирует пример образования кристаллов в растворе, например, каких-нибудь солей. Если проанализировать данный процесс с самого начала, то будет видно, что в самом растворе частицы расположены хаотично, и вся система находится на минимальном энергетическом уровне. Однако взаимодействия между частицами симметричны относительно поворотов и сдвигов. Однако после того, как жидкость кристаллизовалась, возникает состояние, в котором обе эти симметрии оказываются нарушенными.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что взаимодействие между частицами в получившемся кристалле совсем не симметрично. Из этого вытекает ряд важнейших свойств кристаллов — например, эти структуры, в отличие от жидкости или газа, по-разному проводят электрический ток или тепло в различных направлениях (могут проводить на север, а на юг — нет). В физике данное свойство называется анизотропией. Эта кристаллическая анизотропия уже давно используется человеком в различных отраслях, например, в электронике.

Еще одним интересным свойством кристаллов является то, что он, как система, всегда находится на минимальном энергетическом уровне. Что самое любопытное, он намного ниже, чем, например, в растворе, который "породил" кристалл. Можно сказать, что для того, чтобы получить данные структуры, нужно "отнимать" энергию у исходного субстрата.

Итак, при образовании кристалла происходит понижение энергетического уровня системы и нарушение исходной пространственной симметрии. А не так давно два физика из США, Ал Шэпир и Фрэнк Вильчек (кстати, нобелевский лауреат), задумались, возможно ли существование так называемого "четырехмерного" кристалла, где нарушение симметрии происходило бы не только в пространстве, но и во времени.

С помощью сложных математических выкладок ученые смогли доказать, что это вполне возможно. В итоге получилась система, существующая, как и реальный кристалл, на минимальном энергетическом уровне. Но самое интересное заключается в том, что она за счет образования определенных периодических структур не в пространстве, а во времени приходила бы к несимметричному конечному состоянию. Авторы работы назвали такую систему очень торжественно — "кристаллом времени".
Через некоторое время группа физиков-экспериментаторов во главе с профессором Чжан Сяном из Университета Калифорнии (США) решила создать такую систему уже не на бумаге, а в реальности. Ученые создали облако ионов бериллия, после чего "заперли" его в круговом электромагнитном поле. Поскольку электростатическое отталкивание одинаково заряженных ионов друг от друга заставляет их распределяться по кругу равномерно, исследователи, по сути дела, получили газообразный кристалл. И пока характеристики поля были неизменными, то состояние системы, по идее, тоже не должно было меняться.

В то же время расчеты, а затем и наблюдения показали, что это самое ионное кольцо не будет неподвижным. Газообразный кристалл постоянно вращался, и взаимодействия ионов при этом были то симметричными, то нет. Все это наблюдалось даже тогда, когда кристалл охладили практически до абсолютного нуля. Таким образом, эта структура действительно является "кристаллом времени": она проявляет свойства периодичности и асимметрии как в пространстве, так и во времени.

Любопытно, что неспешно вращающееся кольцо ионов, сконструированное группой профессора Чжана, вызвало у многих неспециалистов ассоциацию с вечным двигателем. Конечно, газовый кристалл внешне похож на perpetum mobile, однако на самом деле таковым не является. Ведь эта система не может совершить никакой работы, так как все ее составляющие находятся на одном энергетическом уровне (к тому же, минимальном). А согласно второму закону термодинамики, работа возможна лишь в той системе, составляющие которой находятся минимум на двух энергетических уровнях.

В то же время это вовсе не значит, что "кристалл времени" никак нельзя использовать для практических нужд. Профессор Чжан убежден, что на его основе можно сконструировать, например, сверхточный хронометр. Ведь переход от симметрии к асимметрии имеет ярко выраженную периодичность. Пока же профессор и его коллеги хотят заняться более детальным изучением свойств созданной ими замечательной структуры…