Fizycy unieśli w powietrze styropianowe kulki, które zachowują się jak kryształy czasu. To prosty eksperyment z bardzo poważnymi konsekwencjami.
Kiedyś kryształy czasu były tylko teorią. Dziś można je zobaczyć, a choćby w pewnym sensie trzymać w dłoni. Zespół z New York University z lekkich koralików unoszących się w powietrzu na fali dźwiękowej zbudował kryształ czasu. Ten pozornie prosty układ pokazuje, jak spontanicznie może rodzić się rytm w świecie materii.
Czym tak adekwatnie jest kryształ czasu?
Zwykły kryształ (sól, diament, lód) ma uporządkowaną strukturę w przestrzeni. Oznacza to, iż atomy powtarzają się jedynie w regularnej siatce. W przypadku kryształu czasu ten porządek pojawia się nie tylko w przestrzeni, ale także właśnie w czasie.
W takim układzie składniki materii (atomy, jony, a w tym przypadku lekkie koraliki) nie zamierają w spoczynku. Zamiast tego wykonują cykl po cyklu powtarzalny ruch, niczym zegar. Istotne jest to, iż ten rytm nie jest narzucony z zewnątrz. Układ sam ustawia sobie tempo oscylacji, mimo iż widzi jedynie dość monotonne wymuszenie z zewnątrz. Fizyk powiedziałby, iż dochodzi do złamania symetrii czasowej: prawo fizyki dopuszcza dowolny moment, ale układ wybiera konkretne rytmiczne odstępy.
Pierwsze kryształy czasu obserwowano w skrajnie delikatnych, mikroskopijnych układach kwantowych, przy ekstremalnej kontroli i na bardzo krótkich skalach. To były bardziej ciekawostki dla specjalistów niż coś, co można sobie wyobrazić w skali makro.
Lewitujące kulki zamiast skomplikowanej kwantowej maszynerii
W nowym eksperymencie fizycy z NYU zdecydowali się na radykalne uproszczenie. Ich kryształ czasu nie jest zbudowany z ultrazimnych atomów w pułapce magnetycznej, ale z materiału, który kojarzy się raczej z wypełnieniem przesyłek niż z wyrafinowaną fizyką – spienionego polistyrenu, czyli tworzywa podobnego do styropianu.
Pojedyncza kulka jest zawieszana w powietrzu w polu akustycznym. Wygląda to trochę jak miniaturowa scena koncertowa: głośniczki ułożone w trójwymiarowej ramie wysyłają fale dźwiękowe, które tworzą stojącą falę. Kulka zatrzymuje się w miejscu, bo siły od dźwięku równoważą grawitację.
Dopóki w układzie jest tylko jedna kulka, wszystko wydaje się proste. Kiedy jednak w tej samej klatce dźwiękowej pojawia się kilka takich koralików, zaczyna się dziać coś zupełnie innego.
Jak dźwięk zamienia zwykłe kulki w kryształy czasu?
Każda lewitująca kulka nie tylko siedzi w fali dźwiękowej, ale też ją zniekształca i rozprasza. Innymi słowy, nie jest bierna, ale współtworzy całe pole akustyczne. To sprawia, iż koraliki zaczynają na siebie wzajemnie wpływać, choć nie bezpośrednio, tylko za pośrednictwem dźwięku.
W efekcie powstaje sieć niesymetrycznych oddziaływań. Co istotne, siła, z jaką kulka A wpływa na kulkę B, nie musi być identyczna, jak wpływ B na A. Jesteśmy przyzwyczajeni, iż zgodnie z trzecią zasadą dynamiki Newtona każdej akcji musi odpowiadać reakcja. W tym układzie ta zasada nie jest do końca spełniona, bo całość pośredniczona jest przez fale w powietrzu, które rozchodzą się, odbijają, nakładają.
To właśnie te rozjechane oddziaływania sprawiają, iż układ zaczyna sam organizować się w czasie. Koraliki wpadają w cykliczny ruch. Zbliżają się i oddalają, tworzą i rozpadają układy, powtarzając ten taniec w regularnych odstępach. Nikt nie ustawia im metronomu. Częstotliwość ruchu nie jest wprost narzucona przez generator dźwięku – układ wybiera ją sam, korzystając z energii dostarczanej przez pole akustyczne.
Fizycznie mamy więc realizację idei kryształu czasu w układzie, który można zobaczyć gołym okiem, nagrać kamerą i analizować klatka po klatce.
Wodorowy atom kryształów czasu
Autorzy porównują swój eksperyment do atomu wodoru w fizyce – najprostszego możliwego układu, na którym buduje się całe zrozumienie bardziej złożonych struktur. Tutaj takim minimalnym modelem są właśnie lewitujące koraliki.
Zaletą jest nie tylko prostota, ale także sama skala. Zamiast operować na pojedynczych atomach w próżni, naukowcy mają do dyspozycji milimetrowe obiekty w zwykłym powietrzu. Mogą dokładnie mierzyć ich położenie, śledzić ruch, zmieniać parametry dźwięku, liczbę kulek i geometrię całej klatki akustycznej.
Kryształy czasu są więc abstrakcyjną koncepcją fizyczną, ale zjawisko spontanicznego rodzenia się zegara dotyczy wielu systemów: od generatorów sygnału w elektronice, przez rytmy neuronów w sercu i mózgu, po powtarzalne cykle w gospodarce. Prosty, namacalny model może stać się laboratorium do badania tego, jak z chaosu rodzi się regularność.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
