Teadaolevalt omab iga liikuv objekt kineetilist energiat. Kuid tekib küsimus – kui palju energiat vajab objekt liikumiseks? Uues uurimustöös näitavad kaks füüsikut, et madalaima energiaseisundiga, teisisõnu põhiolekus süsteem võib teoreetiliselt näidata perioodilist liikumist. Sellist perioodiliselt liikuvat süsteemi võib pidada kristalli ajaliseks vasteks, kuna kristalli defineeritakse selle ruumilise perioodilisuse kaudu. Mis veelgi huvitavam – „ajakristallid“ näitavad oma madalaimal energiaseisundil liikumist ja murravad seega fundamentaalset sümmeetriat, mida nimetatakse aja kulgemise sümmeetriaks. Seega sarnanevad niinimetatud ajakristallid „perioodiliselt“ igiliikuritega.
Füüsikud Frank Wilczek ja Alfred Shapere avaldasid internetiportaalis arXiv.org oma uudse ajakristallide idee kohta kaks artiklit. Üks artikkel keskendub klassikalistele ajakristallidele ning teine kvant-ajakristallidele, vahendab Physorg.com.
Pilt: Sam Rohn, flickr.com/photos/nylocations/
Kaasaegne füüsika tegeleb mitut tüüpi sümmeetriatega, millest üks fundamentaalsemaid on aja kulgemise sümmeetria. See väidab, et tänapäeva füüsikaseadused peaksid kehtima ka tulevikus. Seega, kui süsteemi omadused jäävad aja jooksul püsivateks, siis see süsteem allub aja kulgemise sümmeetriale. Teisest küljest murrab kell oma püsivalt liikuvate osutitega eelnimetatud sümmeetriat.
Kuid kui kell vajab selle sümmeetria lõhkumiseks energiaallikat, pole madalaimas energiaseisundis süsteemil definitsiooni kohaselt energiaallikat. Tõestamaks, et selline süsteem võib tõepoolest liikumist näidata, viisid Wilczek ja Shapere läbi keerukaid matemaatilisi arvutusi. Nende arvutuste kohaselt võib oma madalaimas energiaseisundis olev süsteem liikuda perioodiliselt justkui silmus või orbiit. Teadlastele teadaolevalt näidati esmakordselt, et oma madalaimas energiaseisundis olev ilma välise energiaallikata süsteem võib näidata liikumist ja lõhkuda aja kulgemise sümmeetriat.
Füüsikud selgitasid, et see avastus ei tähenda, et sellised süsteemid tegelikult ka looduses eksisteeriksid, kuid nende olemasolu on teoreetiliselt võimalik. Alguses olid füüsikud mõnevõrra kahtlevad nende olemasolus, kuna seesugused süsteemid käituksid väga sarnaselt igiliikuriga – fantaasiaseadmega, mis võib ilma energiatoiteta igavesti töötada. Selliste süsteemide ehitamine võib aga tegelikult olla vähem ebatõenäoline kui selle olemasolu võimalikkuse tõestamine. Teadlased märkisid, et õigetel tingimustel käitub ka ülijuht sellisel viisil, sest põhiolekus elektronid võivad selles jätkuvalt silmusekujuliselt liikuda.
„Seda on keeruline matemaatiliselt rakendada,“ väitis Wilczek. „Nende olemasolu võimalikkuski on üllatav. Sõltumata sellest, kas sellised süsteemid looduslikult esinevad või mitte, olen ma väga optimistlik selles, et neid on võimalik kavandada.“ Ta lisas, et isegi kui ajakristallid võivad jätkuvalt liikuda, poleks neid võimalik kasutada kasuliku energia tootmiseks, kuna neid ei tohi häirida. Lisaks ei rikuks ajakristallid termodünaamika teist seadust. Sellegipoolest on ajakristallide võimalused põnevad ning teadlased plaanivad jätkata nende uurimist.
„Siin on väga palju suundi, kuhu minna,“ sõnas Wilczek. „Küsimus on, mida teha esimesena. Lisaks – kuidas sellist ideed oleks võimalik tegelikes ainetes realiseerida; millised on tarvilikud ained; kuidas saame teada, et see toimib; ja mis mõõtmed neil ainetel on? Kui see on aine olek, mis on teistest seisunditest erinev, siis võivad esineda faasi üleminekud,“ väitis ta ja jätkas: „See on veider ja kummaline idee ning on huvitav jälgida, kuhu see välja jõuab.“
Teadusartiklid: