Perpetuum mobile, czyli jak zatrzymać czas

W lutym 2012 r. Frank Wilczek - laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki - zaskoczył świat nauki dziwną i wydawać by się mogło niemożliwą do realizacji teorią. Mający polskie korzenie naukowiec przedstawił pomysł, który - odpowiednio rozwinięty - może doprowadzić do budowy pierwszego na świecie perpetuum mobile, czyli maszyny poruszającej się w nieskończoność.

Fizyk przekonuje, że materia może uformować "kryształ czasu", którego struktura nie będzie powtarzać się w przestrzeni, jak w typowym krysztale, a w czasie. Odkrycie takiego tworu diametralnie odmieniłoby oblicze współczesnej fizyki, gdyż wyjaśniłoby naturę wszechświata.

Frank Wilczek nie jest pierwszym lepszym, szalonym naukowcem, który nie ma merytorycznych podstaw do wysnuwania nietypowych teorii. Za pracę wykonaną wspólnie z Davidem Politzerem i Davidem Grossem, Wilczek w 2004 r. został uhonorowany najwyższym naukowym odznaczeniem, czyli Nagrodą Nobla. Dotyczyła ona asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań między cząstkami elementarnymi. Cząstki, o których tu mowa to najbardziej podstawowe cegiełki materii, czyli kwarki, zaś występujące między nimi oddziaływania to siły sprawiające, że jądro atomu, które jest 100 000 razy mniejsze od samego atomu, nie rozpada się.

Asymptotyczna swoboda to zjawisko, które objawia się tym, że gdy kwarki są blisko siebie, w odległości dużo mniejszej niż 1 fm (femtometr), zachowują się jakby były swobodne, ale gdy oddalają się od siebie, oddziaływanie pomiędzy nimi staje się coraz silniejsze. W przypadku oddziaływania elektromagnetycznego czy sił grawitacji jest na odwrót. Swoboda asymptotyczna została teoretycznie przewidziana już 31 lat temu.

Może trudno w to uwierzyć, ale teoria kryształów czasu jest jeszcze bardziej nieprawdopodobna. Kto wie, może za 30 lat zostanie uhonorowana kolejną Nagrodą Nobla?

Definicja perpetuum mobile jest bardzo prosta. To hipotetyczna maszyna, której mechanizm umożliwiałby jej pracę w nieskończoność, niezgodnie z obowiązującymi prawami fizyki. Pierwsze próby stworzenia perpetuum mobile podejmowano już w XIII wieku, choć szczególne zainteresowanie tą koncepcją przypadło na XVI i XVII w.

Zanim fizykom uda się zamknąć czas w krysztale, muszą oni jak najpełniej odpowiedzieć na pytanie: dlaczego czas płynie? Dzieje się tak, gdyż struktury energetyczne we wszechświecie mają mnóstwo niezbieżnych wektorów, płaszczyzn i wymiarów przemieszczania, które ostatecznie pozwalają energii wyrwać się z większych układów tak, że niemożliwy jest jej powrót do pierwotnej konfiguracji.

Energia we wszechświecie nie może ginąć, ale z drugiej zasady termodynamiki wynika, że nie da się jej też przytrzymać w odniesieniu do przyjętego otoczenia. Zadanie komplikuje się jeszcze bardziej, gdy energia ma zostać przeznaczona na wykonanie jakiejś pracy. Dlatego istnienie perpetuum mobile jako wiecznie działającego napędu/silnika uznaje się za niemożliwe, a koncepcje jego budowy są szufladkowane jako pseudonaukowe. Co innego, jeżeli zagłębimy się w etymologię perpetuum mobile.

Perpetuum mobile to dosłownie (z łac.) "wieczny ruch", nie zaś wieczny napęd, a co za tym idzie - praca. Ruch bez pracy jest możliwy pod warunkiem, że układ nie będzie tracić energii, gdyż wtedy wymagałby zasilania (pracującego silnika). Konfiguracje energetyczne, których ścieżki transferowanych energii nie przyczyniają się do jej ucieczki z układu, są możliwe i nie przeczą zasadom termodynamiki.

Za dobry przykład może posłużyć nadprzewodnictwo, w którym dzięki sprzężeniu ładunków z drganiami sieci materiału (pary Coopera), ich ruch nie powoduje strat energii. Takie zjawisko najłatwiej okiełznać w temperaturach bliskich zera bezwzględnego, jednakże cały czas poszukuje się materiałów pozwalających na uzyskanie odpowiedniej struktury w wyższych temperaturach. Niedawno odkryto istnienie tzw. wiecznych prądów - w nanopierścieniach metalowych odkryto elektrony, które wędrują dokoła bez przyłożonego zewnętrznego napięcia. Innym przykładem jest nadciekłość, czyli stan w którym materia zachowuje się jak ciecz z zerową lepkością, dzięki czemu może ona krążyć bez końca.

Ruch bez kosztów energetycznych we wszechświecie wcale nie jest niczym egzotycznym. Nawet pierwsze prawo Newtona postuluje, że gdyby w przestrzeni nie było sił znoszących, takich jak tarcie, obiekt mógłby bez żadnej zewnętrznej energii poruszać się w nieskończoność. W skali kosmicznej nie jest to wyobrażalne, ale inaczej jest w świecie rządzonym przez prawa mechaniki kwantowej. W takiej rzeczywistości każdy materialny obiekt jest jednocześnie falą, przez co nie istnieje coś takiego, jak jego stan spoczynku w konkretnym miejscu i czasie. W fizyce kwantowej, nawet obiekt w stanie najniższej energii (tzw. punkt zerowy) związanym z temperaturą zera bezwzględnego, ma swoją energię, temperaturę i ruch. Właśnie w takiej rzeczywistości chcą manipulować naukowcy z Berkeley zainspirowani teorią Wilczka.

Teoria kryształów czasu u podstaw jest dosyć prosta, gdyż opiera się na tych samych założeniach, co kryształy występujących w świecie makroskopowym. Płyny lub gazy w stanie równowagi zachowują idealną symetrię przestrzenną. Przy bardzo niskich energiach nie jest możliwe zachowanie tej energii, przez co następuje krystalizacja substancji. W kryształach brakuje idealnej symetrii, co w fizyce określa się mianem spontanicznego złamania symetrii. Frank Wilczek zauważył, że koncepcję trójwymiarowego kryształu można rozszerzyć o jeszcze jeden wymiar - czas. Uzyskany w ten sposób kryształ czasu mógłby łamać podstawową symetrię (tzw. symetrię translacji w czasie), bez której wszystkie prawa fizyki (także zasada zachowania energii w mechanice klasycznej i kwantowej) nie mogą być utrzymane.

W przedstawionej teorii pojawia się pewna sprzeczność. Aby złamać symetrię translacji czasu, kryształ musiałby być w ruchu, a przecież w najniższym stanie energetycznym nie może się on poruszać. Jak zatem zbudować taki układ? Kryształem czasu będzie najprawdopodobniej okrężna struktura periodyczna, w której atomy poruszają się w identycznych skokach, jakby były wymuszane przez strukturę czasu. W takim krysztale, ruch struktury nie może odbywać się pomiędzy dowolnymi momentami czasu, a jedynie skakać do kolejnych, ograniczonych punktów.

Kryształ czasu raz wprawiony w ruch będzie poruszał się bez końca, bez dopływu jakiejkolwiek energii z zewnątrz. Równocześnie nie będzie to pogwałceniem żadnych praw fizyki, gdyż z zasady zachowania energii wynika, że bez dostarczenia energii do układu, nie można z niego jej wyciągnąć.

Środowisko fizyków dosyć chłodno przyjęło teorię Wilczka, choć nie neguje jej autentyczności. Nawet jeżeli udałoby się stworzyć kryształ czasu, w którym ruch atomów nie byłby uzależniony od energii, najprawdopodobniej nie mógłby on istnieć wiecznie. Nawet w najniższym stanie energetycznym żaden obiekt nie będzie posiadał najwyższej możliwej entropii. A powszechnie wiadomo, że to właśnie do niej zmierza wszechświat.

Teorię Wilczka w praktyce chcą przetestować fizycy z Berkeley. Zespół naukowców pod kierownictwem Xianga Zhanga planuje zamknąć chmurę jonów wapnia w 100-mikronowej pułapce elektromagnetycznej, która uformuje je w krystaliczny wzór. Wszystkie jony mają taki sam ładunek i odpychając się utrzymają układ w równowadze. Dzięki obniżeniu temperatury do temperatury zbliżonej do zera bezwzględnego, pole elektromagnetyczne wprawi jony w ruch. Jeżeli teoria kryształu czasu jest prawidłowa, będzie to ruch stały o odpowiedniej periodyczności przestrzennej. Co więcej, ruch ten będzie nieskończony.

Potwierdzenie teorii Wilczka może być kamieniem milowym nie tylko dla środowiska naukowego, ale i całego świata. Budowa perpetuum mobile może dać fizykom wgląd w naturę czasu, opracować nowe źródła energii czy stanowić podwaliny pod konstrukcję komputerów kwantowych. Wszystko to będzie miało miejsce, o ile teoria kryształów czasu okaże się prawdziwa.

Nadszedł czas, by go zatrzymać.