Udało się stworzyć kryształ czasu

W zeszłym miesiącu grupa fizyków dokonała teoretycznego potwierdzenia możliwości istnienia tzw. kryształów czasu - obiektów, których struktura będzie się okresowo powtarzać - tak jak w zwykłym krysztale - lecz w czasie, nie przestrzeni. Teraz taki obiekt udało się stworzyć.

Wilczek, który w 2004 roku zdobył nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za pracę wykonaną wspólnie z H. Davidem Politzerem i Davidem Grossem dotyczącą asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań między cząstkami elementarnymi, wpadł na bardzo ciekawy pomysł dotyczący samej natury czasu i przestrzeni. Jego zdaniem materia może uformować "kryształ czasu" - którego struktura będzie się okresowo powtarzać - tak jak w zwykłym krysztale - lecz w czasie, nie przestrzeni. Kryształ taki mógłby być nowym, nieznanym nam wcześniej stanem skupienia materii, który może wyjaśniać część zjawisk kosmologicznych.

Płyny lub gazy w stanie równowagi, składające się z równo rozłożonych cząstek zachowują idealną symetrię przestrzenną. Jednak przy bardzo niskich energiach nie potrafią one zachować tej symetrii i krystalizują się. Ponieważ kryształy nie zachowują idealnej symetrii - fizycy mówią, że zachodzi w nich spontaniczne złamanie symetrii (zjawisko to zachodzi gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię niż symetria układu fizycznego).

Wilczek zaczął się zastanawiać czy ideę trójwymiarowego kryształu można rozszerzyć o jeszcze jeden wymiar - czas. Taki "kryształ czasu" mógłby spontanicznie łamać podstawową symetrię - symetrię translacji w czasie - która utrzymuje wszystkie prawa fizyki w mocy, niezależnie od czasu, i z której wynika zasada zachowania energii zarówno w mechanice klasycznej jak i kwantowej.

"Kryształ czasu" zmieniałby się wraz z upływem czasu, jednak zawsze wracałby do początkowego stanu - podobnie jak wskazówki zegara. Od zegara jednak różnić ma go to, że ma się on znajdować w najniższym stanie energetycznym. I tu pojawia się pozorna sprzeczność. Aby bowiem łamać symetrię translacji czasu kryształ taki musiałby być w ruchu, jednak układ w najniższym stanie energetycznym generalnie nie może się ruszać (gdyby się ruszał - można by wyciągnąć z niego energię, aż osiągnąłby prawdziwy najniższy stan energetyczny - bezruchu).

W zasadzie kryształ taki wyglądać ma tak, że rozmieszczone w okrężnej strukturze, uporządkowane atomy poruszałyby się wokół jednego punktu w równych odstępach czasu.

Razem ze swoim kolegą Alfredem Shapere z Uniwersytetu Kentucky udowodnił on, że materiał może mieć zerową energię i jednocześnie być w ruchu, poprzez ponowne sformułowanie definicji energii kinetycznej - na inny, równoznaczny wzór, choć zależny od prędkości w inny sposób.

Raz wprawiony w ruch - "kryształ czasu" mógłby poruszać się bez końca bez dopływu żadnej energii z zewnątrz. Jednocześnie nie łamałby on żadnych praw fizyki - ponieważ bez dodania energii z zewnątrz nie można by z niego wyciągnąć żadnej energii (ponieważ jej tam po prostu nie ma).

Wilczek uważał, że taki obiekt powinno udać się stworzyć poprzez wsadzenie kryształu do nadprzewodnika niskotemperaturowego - sądził on, że ze względu na swoją naturę atomy w tych kryształach powinny zmienić swoje położenie, a następnie powinny ciągle powracać do swojego bazowego stanu.

Naukowcy z Uniwersytetu Maryland zrobili coś takiego - ułożyli w linii atomy iterbu, których spiny były od siebie wzajemnie zależne tworząc w ten sposób kwantowy układ. Normalnie cząstki kwantowe nie istnieją w jednym miejscu, jednak poprzez utrzymanie ich w stanie nierównowagi jony te zostały lokalizowane - znalazły się w konkretnym punkcie przestrzeni.

Z pomocą lasera zmieniono spin jednego z atomów, on poruszył kolejny - w ten sposób zaczęły one oscylować. Zauważono jednak, że okres oscylacji się wydłużał, a jedynym wyjaśnieniem tego mogło być złamanie symetrii czasu, tym samym udało się stworzyć kryształ czasu.

Wiemy już zatem na pewno, z praktyki, nie tylko teorii, że coś takiego jest fizycznie możliwe, ale co z tego? Autorzy eksperymentu twierdzą, że z pomocą takich właśnie kryształów powinno udać się stworzyć kwantową pamięć, która znajdzie się w kwantowych komputerach.

Ale do tego jeszcze długa droga.

Źródło: , Zdj.: CC0