Nowojorscy naukowcy zbudowali „lewitujące” kryształy czasu. Użyli styropianu i dźwięku
Zespół fizyków z Uniwersytetu Nowojorskiego zaobserwował nowy typ kryształu czasu – taki, którego cząstki lewitują na „poduszce” dźwięku, oddziałując ze sobą poprzez wymianę fal akustycznych. Ten konkretny kryształ czasu zbudowany jest ze styropianowych kulek „zawieszonych” w falach dźwiękowych, które działają jak lewitator akustyczny. A chociaż z pozoru odkrycie to ma niewielkie przełożenie na rzeczywistość, to stan materii zwany kryształem czasu legnie u podstaw przyszłej, zaawansowanej nauki i technologii.
Kryształ czasu to niedawno odkryty stan materii, w którym układ cząstek wykonuje regularny, powtarzający się ruch w czasie, bez bodźców z zewnątrz. Choć badania nad kryształami czasu dopiero raczkują, już teraz to naturalne i zadziwiająco stabilne źródło rytmu w pełnym chaosu świecie uznawane jest za przyszłość komputerów kwantowych, przechowywania danych i zaawansowanych badań biologicznych. Zanim przejdziemy do odkrycia naukowców z Uniwersytetu Nowojorskiego, przyjrzyjmy się samym kryształom czasu.
Czym są kryształy czasu?
Dla wielu z nas kryształy czasu to stworzony przez Artura Szyndlera system gier fabularnych, a dla innych, zanurzonych w uniwersum Star Treka to minerał z planety Boreth pozwalający przemieszczać się w czasie. W fizyce jest to egzotyczna faza materii, zaproponowana przez noblistę i profesora MIT Franka Wilczka w 2012 r. Atomy w krysztale czasu wykazują periodyczne zmiany w czasie, a nie tylko w przestrzeni, łamiąc przy tym symetrię translacji w czasie.
W zwykłym krysztale, na przykład w diamencie albo w kryształku soli, atomy tworzą uporządkowaną, periodyczną sieć. Jeśli przesunie się taki uporządkowany wzór w przestrzeni o odpowiednią odległość, wygląda identycznie. W krysztale czasu zachodzi podobne zjawisko, jednak zamiast przesunięcia w przestrzeni wykonuje się przesunięcie w czasie.
Złamanie symetrii przesunięcia w czasie
Wszystko, co oscyluje w czasie, wymaga swoistego napędu. Wahadło czy huśtawkę należy pchnąć, prąd zmienny wymaga użycia generatora. Tylko kryształ czasu wpada w cykliczny rytm sam z siebie, a częstotliwość tego cyklu wynika z wewnętrznych oddziaływań między cząstkami. Fizycy mówią, że dochodzi tu do złamania symetrii przesunięcia w czasie. W zwykłej, intuicyjnej sytuacji, gdy coś wprawiamy w ruch, po pewnym czasie ruch ten powinien zanikać. A w przypadku kryształów czasu rytm pojawia się niejako samoistnie, utrzymuje się i nie wymaga sterowania.
Na przestrzeni lat obserwowano lub tworzono różne typy kryształów czasu, a ich odmienne właściwości sugerują szeroki wachlarz potencjalnych zastosowań. Natomiast fizycy z Uniwersytetu Nowojorskiego zaobserwował właśnie kryształ czasu, którego cząstki lewitują na „poduszce” dźwięku, oddziałując ze sobą poprzez wymianę fal akustycznych. W tym procesie cząstki te łamią trzecią zasadę dynamiki Newtona. Mówi ona, że każdej akcji towarzyszy równa i przeciwnie skierowana reakcja – czyli że siły zawsze występują w zrównoważonych parach tej samej wartości, lecz przeciwnych kierunków. W odkryciu NYU kulki oddziałują bardziej niezależnie i nie muszą podlegać takim zrównoważonym siłom.
Styropian i akustyczny lewitator
Co istotne, te kryształy czasu można zobaczyć gołym okiem, ponieważ cały układ jest zawieszony na urządzeniu o wysokości około 30 centymetrów, które można trzymać w dłoni. Ten konkretny kryształ czasu składa się ze styropianowych kulek – podobnych do tych używanych w opakowaniach – zawieszonych w falach dźwiękowych, które działają jak „lewitator akustyczny”, początkowo utrzymując kulki nieruchomo w powietrzu.
Jak wyjaśniają eksperci, fale dźwiękowe wywierają siły na cząstki – tak jak fale na powierzchni stawu mogą oddziaływać na pływający liść. – Możemy unosić obiekty wbrew grawitacji, zanurzając je w polu dźwiękowym zwanym falą stojącą – napisali badacze. – Kryształy czasu są fascynujące nie tylko ze względu na możliwości, ale także dlatego, że wydają się tak egzotyczne i skomplikowane. Nasz system jest niezwykły, ponieważ jest niesamowicie prosty – powiedział profesor fizyki David Grier, dyrektor NYU’s Center for Soft Matter Research i starszy autor pracy.
W przyszłości kryształy czasu mogą służyć do wyjątkowo precyzyjnego odmierzania czasu niezbędnego w rozbudowanej elektronice, systemach satelitarnym, GPS czy nawet na giełdzie. Mogę też wesprzeć stabilne przechowywanie informacji i służyć do ochrony stanów kwantowych.
Źródło: Physical Review Letters
Nasza autorka
Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka
Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.