Czwarty stan skupienia. Czy badacze z Krakowa namieszają w fizyce?

Maria Mazurek

Prof. Krzysztof Sacha, fizyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie, odkrył istnienie kryształów czasowych. Opowiada nam, czym one w ogóle są, co zmienia to odkrycie i jak w przyszłości będziemy mogli je wykorzystać.

Dostanie pan Nobla?

Każdy naukowiec ma taką fantazję. Ale w tym momencie to kompletnie nierealne.

Przecież czytam o panu, że odkrył pan czwarty stan skupienia - kryształy czasowe, że tworzy nowy paradygmat, że to przełom…

Czas pokaże.

O co chodzi z tymi kryształami czasowymi?

Najpierw trzeba zrozumieć, czym są „tradycyjne” kryształy, czyli przestrzenne. Wie pani?

Takie ciała, które mają regularne kształty.

Zgadza się. I które w te regularne kształty „układają się” same. Możemy opowiedzieć o tym obrazowo: wyobraźmy sobie garść atomów, które bardzo powoli chłodzimy do superniskich temperatur. Układy w skrajnie niskich temperaturach dążą do stanu jak najmniejszej energii - a osiągają go właśnie w strukturach krystalicznych. Zatem ta garść atomów, w odpowiednich warunkach, przyjmie w przestrzeni regularne kiształty. O kryształach przestrzennych wiemy od lat i niejedna Nagroda Nobla została przyznana za prace nad nimi. Ich właściwości wykorzystujemy na wiele sposobów, między innymi cała elektronika jest na nich oparta.

Kryształowe wazy, kieliszki i cukierniczki, jak się domyślam, kryształami wcale nie są?

No nie. Szkło zwane potocznie kryształami to ciało amorficzne. Czyli, jak zajrzymy w głąb, ono wcale nie tworzy struktury regularnej. Prawdziwymi kryształami są za to na przykład sól, lód, węgiel.

I diamenty?

Tak, bo diament to węgiel przecież, tylko trochę drogi. Tak czy inaczej kryształy przestrzenne mają wiele zastosowań i wiele ciekawych właściwości, które wciąż zaskakują fizyków. Na przykład nadprzewodnictwo. Okazało się, że jak odpowiednio obniży się temperaturę rtęci, to zanika tam opór elektryczny. Kryształami przestrzennymi zajmuje się fizyka ciała stałego, potężny dział.

No dobrze, ale co mają do tego kryształy czasowe?

W zasadzie wszystko - tylko wymiar przestrzeni trzeba zamienić na wymiar czasu. Ale po kolei. Wszystko zaczęło się kilka lat temu, w 2012 roku, kiedy Frank Wilczek - fizyk polskiego pochodzenia, noblista, ale z zupełnie innej dziedziny - zadał proste i genialne, według mnie, pytanie.

Które brzmiało?

Skoro mamy atomy, które oddziałują między sobą i mogą stworzyć struktury krystaliczne w przestrzeni, to czyż atomy nie są w stanie stworzyć również struktury krystalicznej w czasie?

Dość proste pytanie.

Ale nikt na nie wcześniej nie wpadł. Z kryształami przestrzennymi mamy do czynienia od lat, a jakoś nikomu do głowy nie przyszło, że czas też może być tu świetnym wymiarem. Idea Wilczka była prosta - to, co dzieje się w przestrzeni, może dziać się też w czasie. Czyli że atomy mogą się wprawiać w okresowy, regularny ruch.

Wskazówki na zegarze poruszają się w sposób regularny.

Zgadza się. Zresztą nie tylko wskazówki zegara - z ruchem cyklicznym mamy do czynienia bardzo często. Ale Wilczkowi chodziło o coś więcej: o układ ciał, które w wyniku oddziaływań między sobą wprawiają się w ruch same.

Perpetuum mobile?

Takie były konsekwencje idei Franka Wilczka.