Eine Gruppe amerikanischer Physiker konnte den sogenannten "Kristall der Zeit" konstruieren - eine Struktur, deren Möglichkeit schon vor langer Zeit vorhergesagt wurde. Ein Merkmal des Kristalls ist die Fähigkeit, nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich periodisch asymmetrisch zu werden. Daher kann daraus ein ultrapräziser Chronometer hergestellt werden.
Kristalle sind im Allgemeinen sehr paradoxe Formationen. Nehmen wir zum Beispiel ihre Beziehung zur Symmetrie: Wie wir wissen, kann ein Kristall selbst, gemessen an seinem Aussehen, einfach als Modell der räumlichen Symmetrie betrachtet werden. Der Kristallisationsprozess ist jedoch nichts anderes als seine böswillige Verletzung.
Dies wird am Beispiel der Bildung von Kristallen in Lösung, beispielsweise einiger Salze, sehr gut veranschaulicht. Wenn wir diesen Prozess von Anfang an analysieren, wird man sehen, dass in der Lösung selbst die Partikel chaotisch angeordnet sind und sich das gesamte System auf einem minimalen Energieniveau befindet. Die Wechselwirkungen zwischen Partikeln sind jedoch symmetrisch in Bezug auf Rotationen und Scheren. Nachdem die Flüssigkeit kristallisiert ist, entsteht jedoch ein Zustand, in dem diese beiden Symmetrien gebrochen sind.
Wir können daher den Schluss ziehen, dass die Wechselwirkung zwischen Partikeln im resultierenden Kristall überhaupt nicht symmetrisch ist. Dies impliziert eine Reihe der wichtigsten Eigenschaften von Kristallen - zum Beispiel leiten diese Strukturen im Gegensatz zu Flüssigkeit oder Gas elektrischen Strom oder Wärme auf unterschiedliche Weise in unterschiedliche Richtungen (sie können sie nach Norden, aber nicht nach Süden leiten). In der Physik wird diese Eigenschaft Anisotropie genannt. Diese kristalline Anisotropie wird seit langem von Menschen in verschiedenen Branchen wie der Elektronik eingesetzt.
Eine weitere interessante Eigenschaft von Kristallen ist, dass sie als System immer auf dem minimalen Energieniveau sind. Was am merkwürdigsten ist, ist, dass es viel niedriger ist als zum Beispiel in der Lösung, die den Kristall "geboren" hat. Man kann sagen, dass es notwendig ist, dem anfänglichen Substrat Energie "wegzunehmen", um diese Strukturen zu erhalten.
Während der Bildung eines Kristalls nimmt das Energieniveau des Systems ab und die anfängliche räumliche Symmetrie wird gebrochen. Und vor nicht allzu langer Zeit fragten sich zwei Physiker aus den USA, Al Shapir und Frank Wilczek (übrigens Nobelpreisträger), ob die Existenz eines sogenannten "vierdimensionalen" Kristalls möglich sei, bei dem Symmetriebrechungen nicht nur im Raum, sondern auch zeitlich auftreten würden.
Mit Hilfe komplexer mathematischer Berechnungen konnten Wissenschaftler beweisen, dass dies durchaus möglich ist. Das Ergebnis ist ein System, das wie ein echter Kristall auf einem minimalen Energieniveau existiert. Das Interessanteste ist jedoch, dass es aufgrund der Bildung bestimmter periodischer Strukturen nicht im Raum, sondern in der Zeit zu einem asymmetrischen Endzustand kommen würde. Die Autoren der Arbeit nannten ein solches System sehr feierlich - "den Kristall der Zeit".
Nach einer Weile beschloss eine Gruppe von Experimentalphysikern unter der Leitung von Professor Zhang Xiang von der University of California (USA), ein solches System nicht mehr auf dem Papier, sondern in der Realität zu schaffen. Wissenschaftler haben eine Wolke aus Berylliumionen erzeugt und diese dann in einem kreisförmigen elektromagnetischen Feld "eingeschlossen". Da die elektrostatische Abstoßung gleich geladener Ionen zu einer gleichmäßigen Verteilung im Kreis führt, erhielten die Forscher im Wesentlichen einen gasförmigen Kristall. Und während die Eigenschaften des Feldes unverändert blieben, hätte sich theoretisch auch der Zustand des Systems nicht ändern dürfen.
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Gleichzeitig zeigten Berechnungen und dann Beobachtungen, dass dieser sehr ionische Ring nicht bewegungslos sein wird. Der gasförmige Kristall drehte sich ständig und die Wechselwirkungen der Ionen waren manchmal symmetrisch, dann nicht. All dies wurde beobachtet, selbst wenn der Kristall auf nahezu absoluten Nullpunkt abgekühlt war. Somit ist diese Struktur in der Tat ein "Kristall der Zeit": Sie zeigt die Eigenschaften von Periodizität und Asymmetrie sowohl räumlich als auch zeitlich.
Es ist merkwürdig, dass der gemächlich rotierende Ionenring, der von Professor Zhangs Gruppe entworfen wurde, viele Nichtfachleute dazu veranlasste, ihn mit einer Perpetual-Motion-Maschine in Verbindung zu bringen. Natürlich sieht ein Gaskristall wie ein Perpetum Mobile aus, ist es aber nicht. Schließlich kann dieses System keine Arbeit leisten, da alle seine Komponenten auf dem gleichen Energieniveau sind (außerdem das Minimum). Und nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist Arbeiten nur in diesem System möglich, dessen Komponenten mindestens zwei Energieniveaus haben.
Gleichzeitig bedeutet dies keineswegs, dass der "Zeitkristall" in keiner Weise für praktische Zwecke verwendet werden kann. Professor Zhang ist überzeugt, dass beispielsweise ein ultrapräziser Chronometer auf seiner Basis konstruiert werden kann. Immerhin hat der Übergang von Symmetrie zu Asymmetrie eine ausgeprägte Periodizität. In der Zwischenzeit möchten der Professor und seine Kollegen die Eigenschaften der wunderbaren Struktur, die sie geschaffen haben, genauer untersuchen …
Anton Evseev
