Drobné kuličky zavěšené ve vzduchu pomocí zvukových vln stačily otřást jedním z nejpevnějších základů klasické fyziky.
Týmu vedenému Miou C. Morrel z Newyorské univerzity se podařilo vytvořit časový krystal pozorovatelný pouhým okem v laboratoři, a tím zdokumentovat interakce mezi částicemi, které nerespektují známou symetrii třetího Newtonova zákona. Výsledky této práce byly publikovány v časopise The Physical Journal Letters.
Tři století dokonalé symetrie
Třetí Newtonův zákon říká, že na každou akci existuje reakce stejné velikosti, ale opačného směru. Je to princip, který vysvětluje, proč se při plavání pohybujeme dopředu tím, že tlačíme vodu dozadu, proč raketa stoupá, když vypuzuje plyn, nebo proč se dva bruslaři od sebe oddělují, když se tlačí. Téměř morální pravidlo rovnováhy: nic se neděje bez kompenzace. Více než tři sta let tato myšlenka přežívala neporušená.
Co je to krystal času?
Abychom pochopili rozsah toho, co bylo pozorováno, je užitečné rozlišovat mezi dvěma typy krystalů. Klasický krystal, jako je led nebo diamant, má atomární strukturu, která se v prostoru uspořádaně opakuje. Časový krystal naproti tomu opakuje svůj vzorec v čase: osciluje, pulzuje s vnitřní pravidelností, aniž by potřeboval stálý vnější impuls. V jistém smyslu jsou to hodinky, které není třeba natahovat.
Až donedávna se časové krystaly vyskytovaly pouze v extrémních podmínkách, v blízkosti absolutní nuly, nejnižší možné teploty hmoty, nebo při mimořádně kontrolovaných kvantových experimentech. Průlom Morrelovy skupiny tento obraz zcela mění: podařilo se jim vytvořit viditelný, manipulovatelný, téměř každodenní časový krystal.
Klamavě jednoduchý experiment
Zařízení využívá přístroj zvaný akustický levitátor, zařízení, které generuje zvukové vlny dostatečně silné na to, aby zachytily drobné částice ve vzduchu a udržely je v malých neviditelných tlakových miskách. V těchto závěsných bodech vědci umístí kuličky z lehkého materiálu.
Poté se stane něco neočekávaného. Částice na sebe nepůsobí přímým kontaktem, ale prostřednictvím zvukových vln, které každá z nich rozptyluje, jako by vytvářely drobné neviditelné vlny, které ovlivňují ostatní. A zde je klíč: tyto interakce nejsou symetrické. Jedna částice může ovlivnit druhou mnohem více, než kolik jí vrátí.
Kde se reciprocita porušuje
V newtonovské mechanice jsou síly vzájemné: pokud A tlačí B, B dává A stejný tlak v opačném směru. V systému, kde se síly šíří prostřednictvím vln, se však tato reciprocita může porušit. Fyzikové tento jev nazývají „nevratné interakce“.
Morrel to ilustruje na analogii z běžného života: „Představte si dvě lodě různých velikostí, které se blíží k přístavu. Každá z nich vytváří vlny, které tlačí tu druhou, ale v různé míře, v závislosti na jejich velikosti.“ V experimentu se děje přesně to samé, ale se zvukem namísto vody.
Tato asymetrie vyvolá něco ještě překvapivějšího: částice začnou spontánně a stabilně oscilovat a v průběhu času vytvářejí periodický vzorec. Jinými slovy, dávají vzniknout časovému krystalu, který lze pozorovat pouhým okem a který se vznáší ve vzduchu.
Newton nepadá, ale je nuancovaný
Odborníci upozorňují, že to, co bylo pozorováno, nepopírá platnost třetího Newtonova zákona. Co se mění, jsou podmínky, za nichž tento zákon platí. V jednoduchých systémech s přímými, lokálními interakcemi zůstává symetrie akce-reakce nedotčena. Pokud jsou však síly zprostředkovány komplexními poli, ať už jde o vlny, tekutiny nebo dokonce informace, může dojít k nerecipročnímu chování. Nejde o to, že by zákon selhával: jde o to, že je sofistikovanější, než se dříve myslelo.
Důsledky mimo laboratoř
Nejvíce fascinující na tomto úspěchu není jen to, že jsme vytvořili krystal času pozorovatelný pouhým okem. Jde o to, že zavádí znepokojivou myšlenku: pohyb, rovnováha a kauzalita mohou být mnohem tvárnější, než naznačují učebnice fyziky.
Vědci naznačují, že takové systémy by mohly být využity k lepšímu pochopení aktivních materiálů a biologických sítí, kde interakce také nejsou dokonale symetrické. Na obzoru jsou také aplikace ve vysoce přesných senzorech nebo pokročilých počítačích.