Fizycy potwierdzają: Kryształy czasu istnieją

O tym, czy kryształy czasu istnieją naprawdę, fizycy zastanawiają się od 2012 r., kiedy to noblista Frank Wilczek zaproponował ich istnienie. Te hipotetyczne obiekty dysponują strukturą powtarzalną (jak w klasycznym krysztale), choć nie w przestrzeni, a w czasie. Naukowcy uważają, że to klucz do stworzenia perpetuum mobile. Teraz potwierdzono, że takie struktury faktycznie mogą istnieć.

W ostatnich latach, większość fizyków jednogłośnie sugerowała, że istnienie kryształów czasu jest niemożliwe ze względu na ich dziwne właściwości. Choć kryształy czasu nie mogłyby być używane do generowania energii użytecznej i nie łamią drugiej zasady termodynamiki, naruszają fundamentalną symetrię praw fizyki.

Jednak teraz, uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) i Microsoft Station Q wykazali, że istnienie kryształów czasu jest możliwe. Kryształy są bowiem zdolne do spontanicznego złamania symetrii translacji czasu. Co tak naprawdę to oznacza?

Spontaniczne złamanie symetrii to zjawisko fizyczne zachodzące, gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię, niż symetria układu fizycznego. Wyobraźmy sobie garść monet zawieszonych w stanie nieważkości. Można odróżnić orła od reszki, ale poza tym monety są symetryczne względem odwracania. Każdą monetę, na której widzimy reszkę, możemy odwrócić o 180^o i wtedy zobaczymy na niej orła. Kiedy włączymy grawitację, a monety spadną na jakąś płaszczyznę, niektóre z nich leżą do góry orłem, a inne reszką. Bez podnoszenia monet z płaszczyzny nie możemy zamienić monety z reszką w monetę z orłem. Nie występuje między nimi symetria. Tę można zauważyć dopiero po wprowadzeniu do układu odpowiedniej energii, niezbędnej do podniesienia monety. Dlatego spontaniczne złamanie symetrii jest najlepiej widoczne w wysokich energiach. W fizyce zjawisko złamania symetrii można zaobserwować podczas spontanicznego namagnesowania w ferromagnetykach.

- Istnieje zasadnicza różnica między bezpośrednim złamaniem symetrii i spontanicznym złamaniem symetrii. Jeżeli symetria zostaje bezpośrednio złamana, to prawa natury nie mają już symetrii. Spontaniczne złamanie symetrii oznacza, że prawa natury mają symetrię, ale natura wybiera stan, w którym jej nie ma - powiedział Dominic Else, fizyk z UCSB, współautor badań.

Płyny i gazy mają równomiernie rozłożone cząsteczki, więc zachowują symetrię przestrzenną. W niskich energiach, ta symetria zostaje złamana i dochodzi do krystalizacji tych substancji. W 2012 r. Frank Wilczek zaczął się zastanawiać, czy koncepcję trójwymiarowego kryształu nie można rozszerzyć o jeszcze jeden wymiar - czas. Hipotetyczny kryształ czas może zmieniać się wraz z upływem czasu, ale zawsze wraca do stanu podstawowego. Aby było to możliwe, musiałby znajdować się on w najniższym stanie energetycznym. Tu pojawia się sprzeczność - w najniższym stanie energetycznym nie ma ruchu, bo każdy ruch oznacza emisję energii i przejście na wyższy stan energetyczny.

Chociaż spontanicznego złamania symetrii translacji czasu nie zaobserwowano nigdy w przyrodzie, fizycy przeprowadzili symulacje wykazujące, że zjawisko to może zachodzić w pewnych układach kwantowych. Kluczowym aspektem tych układów jest fakt, że pozostają one daleko od stanu równowagi termicznej przez cały czas, a więc w ogóle się nie nagrzewają.

- Znaczenie naszej pracy jest dwojakie: z jednej strony pokazuje, że symetria translacji czasu nie jest odporna na spontaniczne złamanie. Z drugiej strony, pogłębia nasze rozumienie, że układy pozbawione równowagi można zorganizować w wiele ciekawych stanów materii, które nie mogłyby istnieć w stanie równowagi - powiedziała Bela Bauer, współautorka badań.

Raz wprawiony w ruch kryształ czasu wykazywałby właściwości perpetuum mobile. Poruszałby się w nieskończoność bez dopływu jakiejkolwiek energii z zewnątrz. Ponieważ bez dodawania energii, nie dałoby się wyciągnąć z niego żadnej energii, nie łamałby tym samym żadnych praw fizyki.

Według fizyków, przeprowadzenie eksperymentu pozwalającego na obserwację złamania symetrii translacji czasu, byłoby możliwe. Wystarczyłoby stworzyć sztuczny model kryształu czasu zbudowanego z atomów, jonów lub kubitów. Już trwają prace nad wdrożeniem go w życie.