În continuă mișcare fără a consuma energie
Timp de câteva luni, s-a vorbit că cercetătorii au reușit să creeze cristale de timp - cristale ciudate a căror structură atomică se repetă nu numai în spațiu, ci și în timp, ceea ce înseamnă că se mișcă constant fără cheltuieli de energie.
Acum a fost confirmat oficial: Cercetătorii au dezvăluit recent în detaliu cum să creeze și să măsoare aceste cristale ciudate. Și două grupuri de oameni de știință independenți susțin că de fapt au reușit să creeze cristale de timp în laborator, folosind instrucțiunile furnizate, confirmând astfel existența unui tip de materie complet nou.
Descoperirea poate părea complet abstractă, dar anunță începutul unei noi ere în fizică, deoarece de multe decenii am studiat numai materia, care prin definiție era „în echilibru”: metale și izolatori.
Dar au existat sugestii despre existența în Univers a diferitelor tipuri ciudate de materie, care nu sunt în echilibru și pe care nici măcar nu am început să le studiem, inclusiv cristale de timp. Știm acum că aceasta nu este ficțiune.
Însuși faptul că avem acum primul exemplu de materie „fără echilibru” ar putea duce la un progres în înțelegerea lumii din jurul nostru, precum și la tehnologii precum calculul cuantic.
„Acesta este un nou tip de materie, o perioadă. Dar este, de asemenea, mișto că acesta este unul dintre primele cazuri de materie „fără echilibru”, spune cercetătorul principal Norman Yao de la Universitatea din California, Berkeley.
„Pentru toată a doua jumătate a secolului trecut, am studiat materia în echilibru, cum ar fi metalele și izolatorii. Și abia acum am pășit pe teritoriul materiei „fără echilibru”."
Video promotional:
Dar hai să ne oprim și să privim înapoi, conceptul de cristale de timp este de câțiva ani.
Acestea au fost prezise pentru prima dată de teoreticianul laureat Nobel în fizică, Frank Wilczek, în 2012. Cristalele de timp sunt structuri care par să fie în mișcare chiar și la cel mai mic nivel de energie cunoscut sub denumirea de stare solă sau stare de repaus.
De obicei, dacă materia este în starea solului, cunoscută și sub denumirea de starea de energie zero a sistemului, înseamnă că mișcarea este teoretic imposibilă, deoarece necesită energie.
Dar Wilczek a susținut că acest lucru nu se aplică cristalelor timpului.
În cristalele obișnuite, zăbrele atomice se repetă în spațiu, la fel ca rețeaua de carbon a diamantului. Dar, ca un rubin sau un smarald, nu se mișcă pentru că sunt în echilibru în starea lor de bază.
Și în cristalele de timp, structura se repetă și în timp, nu numai în spațiu. Și, prin urmare, sunt în mișcare în starea de bază.
Imaginați-vă jeleu. Dacă îl trageți cu degetul, acesta va începe să vibreze. Același lucru se întâmplă și în cristalele de timp, dar marea diferență este că nu necesită energie pentru a se mișca.
Un cristal de timp este ca o jeleu în vibrație constantă în starea sa obișnuită, de bază, iar acest lucru îl face un nou tip de materie - materia „fără echilibru”. Ceea ce pur și simplu nu poate sta liniștit.
Dar este un lucru de a prezice existența unor astfel de cristale și cu totul altul pentru a le crea de fapt, ceea ce s-a întâmplat în ultimele cercetări.
Yao și echipa sa au creat o diagramă detaliată în care au descris în detaliu cum să creeze și să măsoare caracteristicile unui cristal de timp și chiar au prezis care ar fi diferitele faze care înconjoară un cristal de timp, cu alte cuvinte, au descris echivalențele stărilor solide, lichide și gazoase ale unui nou tip de materie.
Yao a numit articolul publicat în Physical Review Letters „o punte între ideea teoretică și implementarea experimentală”.
Și aceasta nu este deloc speculație. După instrucțiunile lui Yao, două grupuri independente - unul de la Universitatea Maryland și celălalt de la Harvard - au reușit să creeze propriile cristale de timp.
Rezultatele ambelor studii au fost anunțate la sfârșitul anului trecut pe arXiv.org (aici și aici) și au fost trimise la reviste revizuite de către colegi pentru publicare. Yao a fost coautor pentru ambele articole.
În timp ce așteptăm publicații, merită să rămânem sceptici cu privire la afirmații. Dar însăși faptul că două grupuri independente au reușit să creeze cristale de timp folosind aceeași schemă în condiții complet diferite, sună promițător.
La Universitatea din Maryland, au fost create cristale de timp dintr-un lanț de 10 ioni de ytterbiu, toate cu rotiri de electroni încurcate.
Cheia pentru transformarea acestei baze într-un cristal de timp a fost menținerea ionilor în dezechilibru și, pentru a face acest lucru, au fost loviți la rândul lor de la două lasere. Un laser a creat un câmp magnetic, al doilea laser a desfășurat parțial rotirile atomilor.
Întrucât rotirile atomilor au fost inițial încurcate, au intrat curând în modelul de rotație rotativă stabil, repetitiv, care definește cristalul.
Acest lucru era normal, dar pentru a deveni un cristal al timpului, sistemul trebuia să rupă simetria în timp. În timp ce au observat lanțul de atomi de ytterbiu, cercetătorii au observat ceva neobișnuit.
Două lasere care loveau periodic atomii de ytterbiu au provocat o repetare în sistem cu o perioadă de două ori mai lungă decât perioada „șocurilor”, ceea ce era exact ceea ce nu se putea produce într-un sistem normal.
- Nu ar fi foarte ciudat dacă ai băgat jeleu și ai constata că reacționează la ea cu perioade de timp diferite? - explică Yao.
„Dar aceasta este natura cristalului timpului. Aveți un fel de agent patogen cu o perioadă de T, dar sistemul este într-un fel sincronizat și observați mișcarea acestuia cu o perioadă care depășește T."
În funcție de câmpul magnetic și de impulsul laserului, cristalul de timp și-ar putea schimba faza, ca un cub de topire.
Crystal de la Harvard era diferit. Cercetătorii au creat-o folosind centre de vacanță de azot dens în diamant, dar au obținut același rezultat.
„Aceste rezultate similare din două sisteme foarte diferite confirmă faptul că cristalele de timp sunt o formă răspândită a materiei și nu o caracteristică curioasă care este observată doar într-un sistem special, mic”, explică Phil Rifermey, de la Universitatea Indiana, într-un studiu însoțitor. notă de lucru, nu a participat la studiu, dar a revizuit articolul.
"Observarea acestui singur cristal de timp … confirmă faptul că ruperea simetriei poate avea loc în toate zonele naturii, iar acest lucru deschide noi domenii pentru cercetare."
Diagrama lui Yao a fost publicată în Physical Review Letters și puteți citi o hârtie Harvard pe cristalele de timp aici și o hârtie a Universității din Maryland aici.
