Czy kryształy czasu to tylko matematyczna ciekawostka, czy może coś takiego rzeczywiście istnieje? Fizycy zastanawiają się nad tym od 2012 roku, kiedy laureat nagrody Nobla Frank Wilczek po raz pierwszy zaproponował ideę ich istnienia. Według najnowszych badań fizyków z Kalifornii, jest to możliwe.
Frank Wilczek twierdził, że te hipotetyczne obiekty w stanie ich najniższej energii, czyli podczas "stanu podstawowego" mogą się okresowo poruszać, np. po orbicie kołowej. Teoretycznie jednak, obiekty w stanie podstawowym nie posiadają wystarczającej ilości energii, by w ogóle się poruszać.
Wielu sceptyków
Wielu fizyków jest nastawionych sceptycznie. Od czasu pojawienia się pomysłu, że kryształy czasu istnieją, niektórzy badacze proponują różne argumenty, przemawiające za tym, że jest to niemożliwe.
Większość naukowców uważa, że fizyczne istnienie kryształów nie jest możliwe ze względu na ich dziwne właściwości. Choć kryształów czasu nie można by wykorzystać do wygenerowania użytecznej energii (ponieważ zakłócanie ich powoduje, że się zatrzymują), nie naruszając wtedy drugiej zasady termodynamiki, one same w sobie naruszają symetrię fundamentalnych praw fizyki.
Według badań - mogą istnieć
Mimo wielu sprzeczności, najnowsze badania fizyków z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara i laboratorium badawczego Microsoft Station Q, które także znajduje się na terenie uniwersytetu, zdają się potwierdzać tezę, że kryształy czasu mogą istnieć. Wyniki opracowania opublikowano w czasopiśmie "Physical Review Letters".
Zaskakujące jest to, że fizycy skupili się nie tylko na samych kryształach, ale też na następstwach ich istnienia. Według badaczy mogą one spontanicznie łamać zasadę symetrii przestrzeni, nazywaną "symetrią translacyjną czasu". Aby zrozumieć co to oznacza, naukowcy wyjaśniają, czym jest spontaniczne złamanie symetrii.
- Pomiędzy jawnym a spontanicznym złamaniem symetrii jest zasadnicza różnica - mówi współautor badań Dominic Else, fizyk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara. - Jeśli symetria jest złamana jawnie, wtedy prawa natury nie posiadają już żadnej symetrii. Spontaniczne złamanie symetrii oznacza, że prawa natury mają symetrię, ale natura wybiera stan, w którym ich nie ma - dodaje.
Jeśli kryształy czasu rzeczywiście spontanicznie łamią symetrię translacyjną czasu, prawa natury, które nimi rządzą, nie zmienią się z czasem. Za sprawą ruchu stanu podstawowego, wraz z upływem czasu zmienią się natomiast same kryształy, tym samym spontanicznie łamiąc symetrię.
Spontaniczne złamanie symetrii
Choć prawie każdy rodzaj spontanicznego złamania symetrii został już kiedyś zaobserwowany, to spontanicznego złamania symetrii translacyjnej czasu nie zaobserwowano jeszcze nigdy. Jednym z powszechnie spotykanych przykładów spontanicznego złamania symetrii jest ten, występujący w magnesach. Prawa natury nie określają, który z biegunów magnesu będzie północny, a który południowy. Cechą wyróżniającą wszystkie materiały magnetyczne jest to, że właśnie spontanicznie łamią symetrię i wybierają jeden biegun na ten północny.
Innym przykładem mogą być zwykłe kryształy. Choć w tym przypadku prawa natury w ramach obracania lub przesuwania przestrzeni pozostają niezmienne, kryształy spontanicznie łamią symetrię przestrzeni, chociażby z tego względu, że wyglądają inaczej, gdy patrzymy na nie pod różnym kątem lub, gdy przesuną się trochę w przestrzeni.
Co zaobserwowali naukowcy?
W najnowszym opracowaniu fizycy określili ile trwałoby spontaniczne złamanie symetrii translacyjnej czasu, a następnie wykorzystali symulacje komputerowe, by przewidzieć, w których układach kwantowych mogłoby wystąpić. Badano grupę o nazwie "układy napędzane wieloma zlokalizowanymi ciałami Floqueta" (ang. Floquet-many-body-localized driven systems). Jak tłumaczą naukowcy, najważniejsze w tych układach jest to, że cały czas pozostają w stanie dalekim od równowagi termicznej, przez co nigdy się nie nagrzewają.
Nowa definicja złamania symetrii translacyjnej czasu jest podobna do pojęć złamania innych rodzajów symetrii. Jeśli wielkość układu (takiego jak kryształ) wzrasta, czas przejścia ze stanu złamania symetrii do jej rozpadu także się wydłuża, a czasem może to trwać tak długo, że rozpad nigdy nie nastąpi. Wtedy symetria całego systemu zostaje złamana.
- Nasza praca jest ważna z dwóch względów: z jednej strony pokazuje, że symetria translacyjna czasu nie jest odporna na jej spontaniczne złamanie - mówi współautor badań Bela Bauer, pracujący w laboratorium badawczym Microsoft Station Q. - Z drugiej strony, więcej wiemy na temat tego, że systemy niebędące w stanie równowagi mogą wiązać się z wieloma ciekawymi stanami materii, które nie mogą występować w układach równowagi - dodaje.
Możliwości dalszych badań
Według badaczy, przeprowadzenie eksperymentu, w którym można by zaobserwować złamanie symetrii translacyjnej czasu, jest możliwe. W tym celu trzeba by wykorzystać duży układ z uwięzionymi w nim atomami, jonami lub nadprzewodzącymi kubitami (które są najmniejszymi i niepodzielnymi jednostkami informacji kwantowej) tak, by stworzyć kryształ czasu. Następnie wystarczyłoby tylko zmierzyć, jak te systemy zmieniają się wraz z czasem. Według naukowców, będą wykazywać one okresowy ruch oscylacyjny, charakterystyczny dla kryształów czasu i wskazujący na spontaniczne złamanie symetrii translacyjnej czasu.
Badacze, którzy stworzyli najnowsze opracowanie, nie poprzestają tylko na nim. Chcą jeszcze więcej dowiedzieć się o kryształach czasu i już prowadzą nowe badania z grupą kolejnych naukowców.
W nauce jest jeszcze wiele niewiadomych. Ostatnim bardzo ważnym odkryciem badaczy było istnienie fal grawitacyjnych, inaczej nazywanych zmarszczkami czasoprzestrzeni.
Autor: zupi/rp / Źródło: phys.org