Az állandóság gyönyörködtet – az időkristályok titka4 perc


Az idei év egyik legnagyobb fizikai felfedezése az időkristályok megfigyelése – ez még a legpatinásabb Nature folyóirat címlapjára is felkerült. Ugyanis végre létrehoztak olyan rendszereket, amelyekben nem marad meg az energia és a kölcsönhatás törvényei ismétlődően váltakoznak.

A kristály szóról legtöbben a kincsesládák és kalandfilmek csillogó drágaköveire asszociálunk, pedig a kristálycukrot is hetente vesszük a boltban: mi lehet bennük a közös? Ahhoz, hogy ezt megtudjuk, a fizika területein kell kalandoznunk, ami talán nem lesz annyira drámai, mint egy kincskeresés, de legalább annyira érdekes.

Különös rendezettség

A kristályokban a tengernyi forma és változat ellenére van valami közös szabályosság: a belső szerkezetük térben ismétlődő jelleget mutat.

Másképp szólva van egy apró építőkő, amelyet sokszor egymás mellé és fölé téve megkapjuk a teljes kristályt.

A konyhasó esetében például ez az építőkő egy kocka, melynek csúcsain helyezkednek el a nátrium- és kloridionok. A gyémánt éppen ugyanígy, kockákból rakható össze, amint az alábbi képen is látható. Miért néz ki mégis máshogy, mint a só? Mert a kockán belül másfajta atomok vannak (szén), és máshogy is helyezkednek el, mint a konyhasó esetében.

diamond_cubic_animation.gif

A gyémánt példája ékesen igazolja, hogy a szabályosság sem a sokféleséget, sem a szépséget nem zárja ki. Vannak ugyanakkor igencsak érdekes következményei: például a kristályokon belül nincs értelme a hétköznapi sebességfogalomnak! Miért? Egy példán keresztül megérthetjük.

Tegyük fel, hogy az autópályán haladva autónkban elromlott a sebességmérő, de mégis szeretnénk megtudni azt, hogy milyen gyorsan megyünk. Ehhez egy különös módszert választunk: szabályos időközönként kinézünk oldalra az ablakon, hogy megállapítsuk, a kis fehér vezetőoszlopokhoz képest hogy helyezkedünk el. Azt viszont nem tudjuk megmondani, hány oszlopot hagytunk el két kitekintés között! Ez azt is jelenti, hogy az általunk megtett út lehet nagyon nagy, vagy nagyon kicsi, de ez a bizonytalanság csakis attól függ, hány oszlop mellett suhantunk el. Mivel pedig a sebesség a megtett úttal arányos, nem tudunk különbséget tenni nagy és kicsiny sebesség között, ha az oszlopokhoz képest ugyanannyit mozogtunk.

Ezt olvastad már?  Hideg csillagok

Valami ilyesmi zajlik a kristályokban is. Ezt azért elemeztük ilyen hosszan, mert szoros kapcsolatban áll azzal a ténnyel, hogy az időkristályok megjelenése ekkora port kavart. A tanulságot viszont érdemes röviden is összegezni:

Ha a térbeli környezetünk bizonyos szakaszonként ismétlődő mintázatot mutat, akkor nem lehet pontosan megállapítani a sebességet, avagy fizikus nyelven fogalmazva: az impulzus (ami a sebesség tömeggel vett szorzata) nem marad meg.

Az energia nem vész el, csak átalakul?

És mi történik akkor, ha ez az ismétlődés nem térben, hanem időben történik? A helyzet nagyon hasonló az eddig ismertetetthez, azzal a különbséggel, hogy itt nem az impulzus megmaradásával lesz probléma, hanem egy még állandóbbnak gondolt mennyiség: az energia fogalma inog meg. De hiszen az energia megmarad, ezt tanítják mindenhol! Most akkor mégsem igaz?

De. Csakhogy nem mindegy, minek az energiájáról beszélünk.

Az energia a teljes világegyetemben persze nem veszik el (nincs is hova), ami abban gyökerezik, hogy a fizika törvényei időben állandóak.

Mindegy, hogy négyszáz éve, vagy ma esik le az alma a fáról, ugyanolyan törvények határozzák meg a röptét. Azonban elképzelhetőek olyan rendszerek, ahol a kölcsönhatás törvényei időben ismétlődően váltakoznak, tehát az energia sem marad meg (az autópálya oszlopai között mérhető sebességhez hasonlóan): ezek az időkristályok.

Az elképzelés sokáig csak elképzelés maradt, mígnem a közelmúltban megszületett az áttörés: kísérletileg is sikerült ilyen rendszereket megvalósítani. Az, hogy milyen konkrét felhasználása lesz ennek a területnek, még nem nyilvánvaló. Azonban, ha figyelembe vesszük, hogy a térbeli kristályokat tanulmányozó fizikusok újításainak köszönhető a legtöbb mostani elektronikai eszközünk, akkor kíváncsian várhatjuk, milyen új technológiákat hoz a jövő.

Kép forrása: pixabay.com

Hódsági Kristóf

Elsőéves hallgató vagyok a BME kutatófizikus mesterképzésén és negyedik éve a Szent Ignác Jezsuita Szakkollégium tagja.


Szólj hozzá elsőként!

Válasz írása

Az email címed nem lesz látható.