Egzotiškos materijos būsenos, vadinamos laiko kristalais, dažniausiai laikomos kvantinės fizikos reiškiniu. Tačiau „Niujorko universiteto“ („NYU“) mokslininkų komanda pademonstravo, kad klasikinis laiko kristalas gali susiformuoti gerokai paprasčiau – pasitelkus vien garsiakalbius ir putplasčio (polistireno) rutuliukus.

Tyrėjų teigimu, ši sistema gali būti ne tik itin „švarus“ klasikinio laiko kristalo pavyzdys, bet ir patogi laboratorija makroskopiniu mastu nagrinėti nerekiprokinėms sąveikoms, kai dalelės veikia viena kitą per išsklaidytas garso bangas, o ne per tiesiogines, subalansuotas jėgas.

„Laiko kristalai žavi ne tik dėl galimų pritaikymų, bet ir todėl, kad atrodo tokie egzotiški ir sudėtingi. Mūsų sistema išskirtinė tuo, kad ji neįtikėtinai paprasta“, – sako „NYU“ fizikas Davidas Grieris.

Laiko kristalai, pirmą kartą teoriškai numatyti 2012 m., yra dar keistesni, nei leidžia manyti jų pavadinimas. Šis terminas apibūdina ne konkretų objektą, o tam tikrą elgseną, susijusią su pasikartojančiais raštais.

Įprastuose kristaluose, tokiuose kaip kvarcas, deimantas ar druska, atomai išsidėsto tvarkingoje gardelėje, kuri kartojasi trimačiame erdvės tinkle. Bet kuri tokio rašto dalis gali idealiai sutapti su kita.

Laiko kristalas – tai dalelių išsidėstymas, kuris kartojasi laike: sistema svyruoja pagal pasikartojantį laikinį raštą, kurį taip pat galima „uždėti“ vieną ant kito panašiai kaip erdvinių kristalų atveju. Esminė savybė ta, kad šie svyravimai pažeidžia laiko simetriją: jie vyksta be išorinio „tiksinčio laikrodžio“ ar periodinio stūmimo, o jų dažnis atsiranda iš pačios sąveikos.

Daugelis iki šiol eksperimentuose sukurtų laiko kristalų buvo kvantinės sistemos, paremtos susietomis (supainiotomis) būsenomis. Vis dėlto D. Grieris ir jo kolegės, „NYU“ fizikės Mia Morrell ir Leela Elliott, savo klasikinę sistemą aptiko beveik atsitiktinai, tirdami kitokio tipo fizines sąveikas.

Maži polistireno rutuliukai, vos 1–2 milimetrų skersmens, yra patogi priemonė nagrinėti, kaip objektai netiesiogiai sąveikauja per garso bangas. Jie labai lengvi, todėl gali būti levituojami akustinėmis bangomis, tačiau kartu pakankamai tvirti, kad išliktų standūs veikiami akustinių jėgų. Be to, jų dydis ir forma šiek tiek skiriasi, o tai svarbu tiriant nerekiprokinę sąveiką.

Eksperimente mokslininkai sureguliavo nedidelę garsiakalbių sistemą taip, kad ji sukurtų stovinčią garso bangą – stabilios struktūros bangą be primestos ritmo „įtampos“. Tuomet į šį garso lauką buvo įleisti rutuliukai, sukėlę mažą trikdį, nuo kurio garso bangos pradėjo sklaidytis.

„Garso bangos veikia daleles jėgomis – panašiai kaip bangos tvenkinio paviršiuje gali stumtelėti ant vandens plūduriuojantį lapą. Mes galime levituoti objektus prieš gravitaciją, panardindami juos į garso lauką, vadinamą stovinčiąja banga“, – aiškina M. Morrell.

Du rutuliukai pradeda sąveikauti per bangas, kurias kiekvienas jų išsklaido. Šiek tiek didesnis rutuliukas sukuria didesnį trikdį nei mažesnis, todėl jėga, kuria jis veikia mažesnį, tampa didesnė už jėgą, kuria mažesnis veikia didesnį.

Būtent tai ir vadinama nerekiprokine sąveika – ji dažna akustikoje ir optikoje, tačiau paprastai būna menka ir sunkiai eksperimentiškai „atskiriama“ nuo kitų efektų.

Naudodami šią įrangą, mokslininkai pastebėjo, kad esant tinkamoms sąlygoms, dviejų rutuliukų sąveika priverčia juos svyruoti pagal laikinį pasikartojantį raštą – be jokio papildomo purtymo, stumtelėjimo ar dirbtinai įvesto ritmo.

Rutuliukai gali išlaikyti stabilų pasikartojantį režimą ištisas valandas, nusistovėdami į tvirtą stacionarią būseną, o ne trumpalaikį svyravimo „atsitiktinumą“. Be to, dvi dalelės – tai mažiausia įmanoma sistema, kuri potencialiai gali elgtis kaip laiko kristalas.

Kol kas mokslininkai nekalba apie konkrečias praktines šio atradimo taikymo sritis, tačiau rezultatai gali paskatinti naujus eksperimentus. Pavyzdžiui, kai kurios biocheminės sistemos žmogaus organizme taip pat sąveikauja nerekiprokiškai. Tai nereiškia, kad mūsų cirkadiniai ritmai yra laiko kristalai, tačiau kelia įdomių klausimų, ar panašūs principai galėtų pasireikšti biologijoje.

Tyrimas taip pat primena, kad norint nagrinėti net ir pačius egzotiškiausius fizikos reiškinius ne visada būtina brangi, itin sudėtinga įranga. Kartais gali pakakti putplasčio rutuliukų ir, kaip juokaujama, galingesnio žemų dažnių garsiakalbio.