Το τεστ διαρκούς κίνησης θα μπορούσε να τροποποιήσει τη θεωρία του χρόνου

Τον Φεβρουάριο του 2012, ο νομπελίστας φυσικός Frank Wilczek αποφάσισε να δημοσιοποιηθεί με μια περίεργη και, ανήσυχη, κάπως ενοχλητική ιδέα. Όσο κι αν φαινόταν αδύνατο, ο Wilczek είχε αναπτύξει μια προφανή απόδειξη των «κρυστάλλων του χρόνου» - φυσικές δομές που κινούνται με επαναλαμβανόμενο μοτίβο, όπως οι λεπτοδείκτες που στρογγυλεύουν τα ρολόγια, χωρίς να ξοδεύουν ενέργεια ή να κλείνουν ποτέ. Σε αντίθεση με τα ρολόγια ή άλλα γνωστά αντικείμενα, οι κρύσταλλοι του χρόνου αντλούν την κίνησή τους όχι από την αποθηκευμένη ενέργεια αλλά από μια διακοπή της συμμετρίας του χρόνου, επιτρέποντας μια ειδική μορφή αέναης κίνησης.

«Οι περισσότερες έρευνες στη φυσική είναι συνέχιση πραγμάτων που έχουν προηγηθεί», είπε ο Wilczek, καθηγητής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Αυτό, είπε, ήταν «κάπως έξω από το κουτί».

Η ιδέα του Wilczek συνάντησε μια σιωπηλή ανταπόκριση από τους φυσικούς. Εδώ ήταν ένας λαμπρός καθηγητής γνωστός για την ανάπτυξη εξωτικών θεωριών που αργότερα μπήκαν στο mainstream, συμπεριλαμβανομένης της ύπαρξης σωματιδίων που ονομάζονται axions και anyons, και ανακάλυψε μια ιδιότητα πυρηνικών δυνάμεων γνωστή ως ασυμπτωτική ελευθερία (για την οποία μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 2004) . Αλλά η αέναη κίνηση, που θεωρούνταν αδύνατη από τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής, ήταν δύσκολο να καταπιεί κανείς. Αποτελούσε το έργο μια σημαντική ανακάλυψη ή εσφαλμένη λογική; Ο Jakub Zakrzewski, καθηγητής φυσικής και επικεφαλής ατομικής οπτικής στο Jagiellonian University της Πολωνίας, ο οποίος έγραψε μια προοπτική για την έρευνα που συνόδευσε τη δημοσίευση του Wilczek, λέει:«Απλώς δεν ξέρω».

Τώρα, μια τεχνολογική πρόοδος έδωσε τη δυνατότητα στους φυσικούς να δοκιμάσουν την ιδέα. Σκοπεύουν να φτιάξουν έναν κρύσταλλο χρόνου, όχι με την ελπίδα ότι αυτό το perpetuum mobile θα δημιουργήσει ένα ατελείωτο απόθεμα ενέργειας (όπως μάταια προσπαθούν να κάνουν οι εφευρέτες για περισσότερα από χίλια χρόνια), αλλά θα δώσει μια καλύτερη θεωρία του χρόνου.

Μια τρελή ιδέα

Η ιδέα ήρθε στον Wilczek ενώ ετοίμαζε μια διάλεξη στην τάξη το 2010. «Σκεφτόμουν την ταξινόμηση των κρυστάλλων και μετά μου ήρθε στο μυαλό ότι είναι φυσικό να σκεφτόμαστε τον χώρο και τον χρόνο μαζί», είπε. "Επομένως, εάν σκέφτεστε για τους κρυστάλλους στο διάστημα, είναι πολύ φυσικό να σκεφτείτε επίσης την ταξινόμηση της κρυσταλλικής συμπεριφοράς στο χρόνο."

Όταν η ύλη κρυσταλλώνεται, τα άτομά της οργανώνονται αυθόρμητα στις σειρές, τις στήλες και τις στοίβες ενός τρισδιάστατου πλέγματος. Ένα άτομο καταλαμβάνει κάθε «σημείο πλέγματος», αλλά η ισορροπία των δυνάμεων μεταξύ των ατόμων τα εμποδίζει να κατοικήσουν στο διάστημα μεταξύ τους. Επειδή τα άτομα ξαφνικά έχουν ένα διακριτό, και όχι συνεχές, σύνολο επιλογών για το πού θα υπάρχουν, οι κρύσταλλοι λέγεται ότι σπάζουν τη χωρική συμμετρία της φύσης - τον συνήθη κανόνα ότι όλες οι θέσεις στο διάστημα είναι ισοδύναμες. Τι γίνεται όμως με τη χρονική συμμετρία της φύσης — τον κανόνα σύμφωνα με τον οποίο τα σταθερά αντικείμενα μένουν τα ίδια καθ' όλη τη διάρκεια του χρόνου;

Ο Wilczek σκεφτόταν το ενδεχόμενο για μήνες. Τελικά, οι εξισώσεις του έδειξαν ότι τα άτομα μπορούσαν πράγματι να σχηματίσουν ένα τακτικά επαναλαμβανόμενο πλέγμα στο χρόνο, επιστρέφοντας στην αρχική τους διάταξη μόνο μετά από διακριτά (και όχι συνεχή) διαστήματα, σπάζοντας έτσι τη χρονική συμμετρία. Χωρίς να καταναλώνουν ή να παράγουν ενέργεια, οι κρύσταλλοι του χρόνου θα ήταν σταθεροί, σε αυτό που οι φυσικοί αποκαλούν «βασική τους κατάσταση», παρά τις κυκλικές παραλλαγές στη δομή που οι επιστήμονες λένε ότι μπορούν να ερμηνευθούν ως αέναη κίνηση.

«Για έναν φυσικό, αυτό είναι πραγματικά μια τρελή ιδέα να σκεφτεί μια βασική κατάσταση που εξαρτάται από το χρόνο», είπε ο Χάρτμουτ Χάφνερ, ένας κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ. «Ο ορισμός της βασικής κατάστασης είναι ότι είναι μηδενική ενέργεια. Αλλά αν η κατάσταση εξαρτάται από το χρόνο, αυτό σημαίνει ότι η ενέργεια αλλάζει ή κάτι αλλάζει. Κάτι κινείται.»

Πώς μπορεί κάτι να κινείται και να συνεχίζει να κινείται για πάντα, χωρίς να ξοδεύει ενέργεια; Φαινόταν μια παράλογη ιδέα - ένα σημαντικό διάλειμμα από τους αποδεκτούς νόμους της φυσικής. Αλλά οι εργασίες του Wilczek σχετικά με τους κβαντικούς και τους κλασικούς κρυστάλλους χρόνου (του τελευταίου με συν-συγγραφέα του Alfred Shapere του Πανεπιστημίου του Κεντάκι) επέζησαν από μια ομάδα ειδικών κριτικών και δημοσιεύτηκαν στο Physical Review Letters τον Οκτώβριο του 2012. Ο Wilczek δεν ισχυρίστηκε ότι ήξερε αν τα αντικείμενα που σπάνε τη συμμετρία του χρόνου υπάρχουν στη φύση, αλλά ήθελε οι πειραματιστές να προσπαθήσουν να το φτιάξουν.

«Είναι σαν να σχεδιάζεις στόχους και να περιμένεις να τους χτυπήσουν βέλη», είπε. "Αν δεν υπάρχει κανένα λογικό εμπόδιο για να πραγματοποιηθεί αυτή η συμπεριφορά, τότε αναμένω ότι θα πραγματοποιηθεί."

Η μεγάλη δοκιμή

Τον Ιούνιο, μια ομάδα φυσικών με επικεφαλής τον Xiang Zhang, έναν νανομηχανικό στο Berkeley, και τον Tongcang Li, έναν φυσικό και μεταδιδακτορικό ερευνητή στην ομάδα του Zhang, πρότειναν τη δημιουργία ενός κρυστάλλου χρόνου με τη μορφή ενός επίμονα περιστρεφόμενου δακτυλίου φορτισμένων ατόμων ή ιόντων. (Ο Λι είπε ότι είχε σκεφτεί την ιδέα πριν διαβάσει τις εργασίες του Wilczek.) Το άρθρο της ομάδας δημοσιεύτηκε μαζί με το Wilczek στο Physical Review Letters.

Έκτοτε, ένας μόνο κριτικός - ο Πάτρικ Μπρούνο, ένας θεωρητικός φυσικός στην Ευρωπαϊκή Εγκατάσταση Ακτινοβολίας Σύγχρονον στη Γαλλία - έχει εκφράσει διαφωνία στην ακαδημαϊκή βιβλιογραφία. Ο Μπρούνο πιστεύει ότι ο Wilczek και η εταιρεία κατά λάθος προσδιόρισαν τη συμπεριφορά των αντικειμένων που εξαρτώνται από το χρόνο σε διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις, παρά στις βασικές τους καταστάσεις. Δεν υπάρχει τίποτα περίεργο για τα αντικείμενα με πλεονάζουσα ενέργεια που κινούνται με κυκλικό τρόπο, με την κίνηση να αποσυντίθεται καθώς η ενέργεια διαχέεται. Για να είναι κρύσταλλος χρόνου, ένα αντικείμενο πρέπει να παρουσιάζει αέναη κίνηση στη θεμελιώδη του κατάσταση.

Το σχόλιο του Bruno και η απάντηση του Wilczek εμφανίστηκαν στο Physical Review Letters τον Μάρτιο του 2013. Ο Bruno έδειξε ότι μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας είναι δυνατή σε ένα μοντέλο συστήματος που είχε προτείνει ο Wilczek ως υποθετικό παράδειγμα ενός κβαντικού κρυστάλλου χρόνου. Ο Wilczek είπε ότι παρόλο που το παράδειγμα δεν είναι κρύσταλλος χρόνου, δεν πιστεύει ότι το σφάλμα "θέτει υπό αμφισβήτηση τις βασικές έννοιες".

«Απέδειξα ότι αυτό το παράδειγμα δεν είναι σωστό», είπε ο Μπρούνο. "Αλλά δεν έχω καμία γενική απόδειξη — μέχρι στιγμής τουλάχιστον."

Η συζήτηση μάλλον δεν θα διευθετηθεί σε θεωρητικούς λόγους. "Η μπάλα είναι πραγματικά στα χέρια των πολύ έξυπνων πειραματικών συναδέλφων μας", είπε ο Zakrzewski.

Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής τους επιστήμονες του Μπέρκλεϊ προετοιμάζει ένα περίτεχνο εργαστηριακό πείραμα, αν και μπορεί να χρειαστούν «οπουδήποτε μεταξύ τριών και άπειρων ετών» για να ολοκληρωθεί, ανάλογα με τη χρηματοδότηση ή τις απρόβλεπτες τεχνικές δυσκολίες, είπε ο Χάφνερ, ο οποίος είναι συν-κύριος ερευνητής με τον Ζανγκ. Η ελπίδα είναι ότι οι κρύσταλλοι του χρόνου θα ωθήσουν τη φυσική πέρα ​​από τους ακριβείς αλλά φαινομενικά ατελείς νόμους της κβαντικής μηχανικής και θα οδηγήσουν σε μια μεγαλύτερη θεωρία.

«Με ενδιαφέρει πολύ να δω αν μπορώ να κάνω μια νέα συνεισφορά ακολουθώντας τον Αϊνστάιν», είπε ο Λι. "Είπε ότι η κβαντομηχανική δεν είναι πλήρης."

Δημιουργία δακτυλίου ιόντων

Στη θεωρία της γενικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν (το σώμα των νόμων που διέπουν τη βαρύτητα και τη μεγάλης κλίμακας δομή του σύμπαντος), οι διαστάσεις του χρόνου και του χώρου υφαίνονται μαζί στο ίδιο ύφασμα, γνωστό ως χωροχρόνος. Αλλά στην κβαντομηχανική (οι νόμοι που διέπουν τις αλληλεπιδράσεις στην υποατομική κλίμακα), η διάσταση του χρόνου αναπαρίσταται με διαφορετικό τρόπο από τις τρεις διαστάσεις του χώρου — «μια ανησυχητική, αισθητικά δυσάρεστη ασυμμετρία», είπε ο Zakrzewski.

Οι διαφορετικές επεξεργασίες του χρόνου μπορεί να είναι μια πηγή ασυμβατότητας μεταξύ της γενικής σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής, τουλάχιστον μία από τις οποίες πρέπει να τροποποιηθεί για να υπάρχει μια ολοκληρωμένη θεωρία της κβαντικής βαρύτητας (ευρέως θεωρείται ως κύριος στόχος της θεωρητικής φυσικής). Ποια έννοια του χρόνου είναι σωστή;

Εάν οι κρύσταλλοι χρόνου μπορούν να σπάσουν τη συμμετρία του χρόνου με τον ίδιο τρόπο που οι συμβατικοί κρύσταλλοι σπάνε τη συμμετρία του χώρου, «σας λέει ότι στη φύση αυτά τα δύο μεγέθη φαίνεται να έχουν παρόμοιες ιδιότητες και ότι τελικά θα πρέπει να αντανακλάται σε μια θεωρία», είπε ο Häffner. Αυτό υποδηλώνει ότι η κβαντομηχανική είναι ανεπαρκής και ότι μια καλύτερη κβαντική θεωρία μπορεί να αντιμετωπίζει τον χρόνο και τον χώρο ως δύο νήματα του ίδιου υφάσματος.

Η ομάδα υπό την ηγεσία του Μπέρκλεϋ θα προσπαθήσει να δημιουργήσει έναν κρύσταλλο χρόνου με έγχυση 100 ιόντων ασβεστίου σε έναν μικρό θάλαμο που περιβάλλεται από ηλεκτρόδια. Το ηλεκτρικό πεδίο που δημιουργείται από τα ηλεκτρόδια θα κολλήσει τα ιόντα σε μια «παγίδα» πλάτους 100 μικρών ή περίπου το πλάτος μιας ανθρώπινης τρίχας. Οι επιστήμονες πρέπει να βαθμονομήσουν με ακρίβεια τα ηλεκτρόδια για να εξομαλύνουν το πεδίο. Επειδή όπως τα φορτία απωθούνται, τα ιόντα θα τοποθετηθούν ομοιόμορφα γύρω από το εξωτερικό άκρο της παγίδας, σχηματίζοντας έναν κρυσταλλικό δακτύλιο.

Στην αρχή, τα ιόντα θα δονούνται σε διεγερμένη κατάσταση, αλλά τα διοδικά λέιζερ όπως αυτά που βρίσκονται στις συσκευές αναπαραγωγής DVD θα χρησιμοποιηθούν για να διασκορπίσουν σταδιακά την επιπλέον κινητική τους ενέργεια. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς της ομάδας, ο δακτύλιος ιόντων θα πρέπει να κατακαθίσει στη βασική του κατάσταση όταν τα ιόντα ψύχονται με λέιζερ περίπου στο ένα δισεκατομμυριοστό του βαθμού πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η πρόσβαση σε αυτό το καθεστώς θερμοκρασίας είχε από καιρό παρεμποδιστεί από τη θερμότητα υποβάθρου που προερχόταν από τα ηλεκτρόδια παγίδας, αλλά τον Σεπτέμβριο, μια πρωτοποριακή τεχνική για τον καθαρισμό των επιφανειακών ρύπων από τα ηλεκτρόδια επέτρεψε 100πλάσια μείωση της θερμότητας του περιβάλλοντος παγίδας ιόντων. "Αυτός είναι ακριβώς ο παράγοντας που χρειαζόμαστε για να προσεγγίσουμε αυτό το πείραμα", είπε ο Häffner.

Στη συνέχεια, οι ερευνητές θα ενεργοποιήσουν ένα στατικό μαγνητικό πεδίο στην παγίδα, το οποίο η θεωρία τους λέει ότι θα πρέπει να προκαλέσει τα ιόντα να αρχίσουν να περιστρέφονται (και να συνεχίσουν να το κάνουν επ' αόριστον). Εάν όλα πάνε όπως έχουν προγραμματιστεί, τα ιόντα θα περιστρέφονται γύρω από το σημείο εκκίνησης τους σε σταθερά διαστήματα, σχηματίζοντας ένα τακτικά επαναλαμβανόμενο πλέγμα στο χρόνο που σπάει τη χρονική συμμετρία.

Για να δουν την περιστροφή του δακτυλίου, οι επιστήμονες θα κολλήσουν ένα από τα ιόντα με ένα λέιζερ, επισημάνοντάς το αποτελεσματικά τοποθετώντας το σε διαφορετική ηλεκτρονική κατάσταση από τα άλλα 99 ιόντα. Θα παραμείνει φωτεινό  (και θα αποκαλύψει τη νέα του θέση) όταν τα άλλα σκοτεινιάσουν από ένα δεύτερο λέιζερ.

Εάν το φωτεινό ιόν περιβάλλει τον δακτύλιο με σταθερό ρυθμό, τότε οι επιστήμονες θα έχουν αποδείξει, για πρώτη φορά, ότι η μεταγραφική συμμετρία του χρόνου μπορεί να σπάσει. «Θα αμφισβητήσει πραγματικά την κατανόησή μας», είπε ο Λι. "Αλλά πρώτα πρέπει να αποδείξουμε ότι όντως υπάρχει."

Μέχρι να συμβεί αυτό, ορισμένοι φυσικοί θα παραμείνουν βαθιά δύσπιστοι. «Προσωπικά πιστεύω ότι δεν είναι δυνατό να ανιχνευθεί κίνηση στη βασική κατάσταση», είπε ο Μπρούνο. "Μπορεί να είναι σε θέση να φτιάξουν ένα δακτύλιο ιόντων σε μια τοροειδή παγίδα και να κάνουν κάποια ενδιαφέρουσα φυσική με αυτό, αλλά δεν θα δουν το ρολόι τους που χτυπάει συνεχώς όπως ισχυρίζονται."