Az időkristályok egészen szokatlan jelenséget képviselnek: a részecskék olyan halmazai, amelyekben az alkotórészek oda-vissza ingáznak két állapot között, megállás nélkül, elméletileg akár örökre is, mivel furcsa módon ez a folytonos váltakozás jelenti a legalacsonyabb energiaállapotukat.
Míg a hagyományos kristályokra a térbeli szimmetria és ismétlődés jellemző, addig az időkristályok esetében az időbeli ismétlődés a meghatározó.
Az időkristályok több szempontból is nagyon különös anyagi állapotot képviselnek, mivel a viselkedésükkel lényegében megszegnek (vagy látszólag megszegnek) több alapvetően gondolt fizikai szabályt, amelyeket egyébként általános érvényűnek tartunk.
Az időkristályok felrúgják az idő-transzlaciós szimmetriát, ami a tárgyak felépítésére jellemző: ez azon az alapvető hipotézisen alapul, hogy a fizikai szabályok - így egy tárgy szerkezetét meghatározó fizikai szabályok is - változatlanok maradnak az idő múlásával.
Az időkristályok emellett elméletileg - mivel örökmozgókhoz hasonlóan működnek - megsérthetik a termodinamika második törvényét, ami kimondja, hogy a természetes folyamatok iránya zárt rendszerben, vagyis beavatkozás/energia hozzáadása nélkül, irreverzibilis és az egyensúlyi állapot felé halad.
Amit pedig most a New York Egyetem kutató felfedeztek, hogy az időkristályok ellenszegülnek még egy törvénynek, méghozzá Newton harmadik törvényének, ami a hatás-ellenhatás, vagyis erő-ellenerő szabályáról szól. A harmadik főtétel szerint két test kölcsönhatásakor minden hatásra egy vele egyenlő nagyságú, de ellentétes irányú ellenhatás lép fel. Az időkristályok viszont “nem reciprokálisan” mozognak, azaz az interakciójuk nem feltétlenül kötődik az erők ezen kiegyensúlyozott kölcsönhatásához.
A kutatók az időkristályokat a kísérlet során egy rendhagyó anyagból, polisztirol habból (hungarocell) hozták létre, amelyeket akusztikus lebegtetéssel, hanghullámok segítségével tartottak fenn a levegőben.
“A hanghullámok erőt fejtenek ki a részecskékre, ahogyan a tó felszínén terjedő hullámok is erőt gyakorolhatnak egy lebegő levélre”
- magyarázta Mia Morrell, a kutatás résztvevője - “A gravitáció ellenében is lebegtethetünk tárgyakat, ha egy állóhullámnak nevezett hangtérbe helyezzük őket.”
Amikor a lebegő részecskék kölcsönhatásba léptek egymással, a hanghullámok megosztása révén tették ezt, és a nagyobb részecskék több hanghullámot szórtak szét - ennélfogva nagyobb hatást gyakoroltak a kisebb részecskékre -, mint a kisebb méretű társaik.
“Ezeket a hullámok közvetítette kölcsönhatásokat nem korlátozza Newton harmadik törvénye, ami lehetővé teszi, hogy a polisztirolgyöngyök a levegőben lebegve spontán rezegjenek, és olyan ritmust kövessenek, amely pontosan kiegyensúlyozza az általuk tapasztalt szokatlan erőket.”
- írja a New York Egyetem.
A kísérlet szokatlan eredményei az időkristályok még egy rendhagyó jellemzőjét fedték fel, de a kutatók találtak megoldást a jelenségre: a kisebb részecskék, miután odébb lökte őket a rájuk ható erő, energiát vesznek fel, és továbbadják más részecskéknek szórás révén.
“A kiegyensúlyozatlan erők lehetőséget adnak a lebegtetett részecskéknek arra, hogy energiát lopjanak a hullámtól, amelyhez egyébként nem férhetnének hozzá”
- magyarázza David Grier, a kutatás vezetője a Physics World beszámolójában. A hullám egyúttal elszállítja a hiányzó lendületet is, feloldva ezzel a Newton harmadik törvényének látszólagos megsértését.
(Fotó: NYU's Center for Soft Matter Research, Bing/MAI-Image-1)
