Επιστροφή στο μέλλον:Το αρχικό κρύσταλλο χρόνου επιστρέφει
Όπως οι δίσκοι βινυλίου, η περίεργη ιδέα ενός κρυστάλλου χρόνου επανέρχεται στη μόδα. Το 2012, ένας βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός πρότεινε ότι οι ιδιότητες ενός συστήματος κβαντικών σωματιδίων μπορεί να κυλούν στο χρόνο, όπως το σχέδιο ατόμων ενός κρυστάλλου επαναλαμβάνεται στο διάστημα, ακόμη και χωρίς την προσθήκη ενέργειας, κάνοντάς το λίγο σαν μηχανή αέναης κίνησης. Αλλά άλλοι σύντομα απέδειξαν ένα «θεώρημα απαγόρευσης» που έλεγε ότι κάτι τέτοιο ήταν αδύνατο - και το αντικατέστησαν με έναν λιγότερο φανταστικό ορισμό ενός κρυστάλλου χρόνου που οι ερευνητές απέδειξαν σύντομα στο εργαστήριο. Αλλά τώρα, δύο φυσικοί έχουν δείξει ότι η αρχική έννοια του κρυστάλλου χρόνου είναι τελικά δυνατή—τουλάχιστον θεωρητικά.
«Νομίζω ότι είναι σωστό», λέει ο Frank Wilczek, ένας θεωρητικός φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης στο Κέιμπριτζ, ο οποίος ονειρεύτηκε κρυστάλλους χρόνου, αλλά δεν ασχολήθηκε με τη νέα δουλειά. Το νέο σχήμα είναι «ένας τρόπος να ξεφύγεις από το «απαγορευμένο». Αλλά η πειραματική συνειδητοποίηση του συστήματος μπορεί να είναι εξαιρετικά δύσκολη, λένε άλλοι φυσικοί.
Στη φυσική, τα μοτίβα μπορούν να προκύψουν φαινομενικά από το πουθενά. Για παράδειγμα, σε ένα κρυσταλλικό στερεό, οι δυνάμεις μεταξύ των ατόμων δεν καθορίζουν ρητά τη θέση των ατόμων ή τις αποστάσεις μεταξύ τους. Ψύξτε τα άτομα στη βασική τους κατάσταση, ωστόσο, και φωλιάζουν σε ένα επαναλαμβανόμενο σχέδιο όπως τα τετράγωνα σε ένα σκακιέρα.
Ο Wilczek αναρωτήθηκε εάν, μέσω παρόμοιας φυσικής, ένα σύστημα θα μπορούσε να έχει μια θεμελιώδη κατάσταση που επαναλαμβανόταν με κάποιο μετρήσιμο τρόπο στο χρόνο αντί στο διάστημα. Το 2012, οι δύο εργασίες του σχετικά με το θέμα προκάλεσαν μια αναταραχή ερευνών. Ωστόσο, το 2015 οι θεωρητικοί φυσικοί Haruki Watanabe και Masaki Oshikawa, τώρα και οι δύο στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο, απέδειξαν ότι, αυστηρά μιλώντας, οι κρύσταλλοι χρόνου ήταν αδύνατοι. Η χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση ενός απομονωμένου συστήματος στη λεγόμενη θερμοδυναμική ισορροπία έπρεπε να είναι στατική, έδειξαν.
Άλλοι ερευνητές επέκτειναν την ιδέα του Wilczek, ωστόσο, και αποκάλυψαν ότι ένα σύστημα που τροφοδοτείται επανειλημμένα με ενέργεια - όπως το παιδί που σπρώχνεται σε μια κούνια - θα μπορούσε να παρουσιάσει μια νέα συμπεριφορά που ονόμασαν διακριτό κρύσταλλο χρόνου. Ένα τέτοιο περιοδικά ανακινούμενο σύστημα συχνά ταλαντώνεται σε συχνότητες που είναι πολλαπλάσιες από αυτές του εξωτερικού ερεθίσματος. Αντίθετα, οι αλληλεπιδράσεις μέσα στο σύστημα θα μπορούσαν να το κάνουν να ανταποκρίνεται στο μισό αυτής της εξωτερικής συχνότητας, προέβλεψαν οι ερευνητές, όπως ένα παιδί που ταλαντεύεται παράξενα στη μισή συχνότητα με την οποία σπρώχνει ο γονέας.
Το αποτέλεσμα έχει φανεί στον πραγματικό κόσμο. Για παράδειγμα, το 2017, ο Christopher Monroe, ένας πειραματικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Maryland στο College Park, και οι συνεργάτες του παρήγαγαν έναν διακριτό κρύσταλλο χρόνου με 10 περιστρεφόμενα ιόντα ρουβιδίου διατεταγμένα σε μια αλυσίδα. Μέσω των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων, τα ιόντα τείνουν να προσπαθούν να δείχνουν προς αντίθετες κατευθύνσεις και ο θόρυβος τα σπρώχνει τυχαία. Αλλά ωθώντας τα ιόντα με παλμούς μικροκυμάτων, οι ερευνητές μπορούσαν να κλειδώσουν το μοτίβο των περιστροφών, έτσι ώστε να αναστρέφονται ακριβώς στο ήμισυ του ρυθμού των παλμών.
Τώρα, οι θεωρητικοί φυσικοί Valerii Kozin του Πανεπιστημίου της Ισλανδίας στο Ρέικιαβικ και ο Oleksandr Kyriienko του Πανεπιστημίου του Exeter στο Ηνωμένο Βασίλειο έχουν αποδείξει ότι, τουλάχιστον θεωρητικά, είναι δυνατό να κατασκευαστεί ένα σύστημα πιο κοντά στην αρχική ιδέα του Wilczek. Για να το κάνουν αυτό, πετούν έξω μια από τις προϋποθέσεις του θεωρήματος απαγόρευσης του Watanabe και του Oshikawa, το οποίο βασίζεται στην υπόθεση ότι η ισχύς των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων εξαφανίζεται με την απόσταση, όπως συμβαίνει με τις ηλεκτρικές και μαγνητικές δυνάμεις. Αντίθετα, οι Kozin και Kyriienko αναλύουν θεωρητικά την περίπτωση των περιστρεφόμενων σωματιδίων, όπως τα ιόντα του Monroe, που αλληλεπιδρούν με τρόπο που δεν πεθαίνει με την απόσταση, κάτι που είναι δυνατό στη θεωρία.
Με τέτοιες αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας το σύστημα μπορεί να έχει μια βασική κατάσταση κρυστάλλου χρόνου που δεν χρειάζεται πρόσθετη ενέργεια, αναφέρουν οι ερευνητές στο Physical Review Letters . "Αυτό που δείχνουμε είναι ένα κενό, όχι ένα αντιπαράδειγμα" στο θεώρημα, λέει ο Kyriienko.
Η υποτιθέμενη κατάσταση κρυστάλλου χρόνου είναι απίστευτα πολύπλοκη. Χάρη στην κβαντομηχανική, κάθε ιόν μπορεί να περιστρέφεται ταυτόχρονα προς τα πάνω και προς τα κάτω, και ο κρύσταλλος του χρόνου είναι παρόμοιος με την κατάσταση στην οποία όλα τα σωματίδια περιστρέφονται προς τα πάνω και προς τα κάτω ταυτόχρονα - εκτός από πολύ πιο περίπλοκα. Η υπογραφή του κρυστάλλου του χρόνου είναι λεπτή και θα ήταν δύσκολο να μετρηθεί:Ορισμένες συσχετίσεις στον αριθμό των περιστροφών που δείχνουν προς τα πάνω ή προς τα κάτω θα ταλαντωθούν με την πάροδο του χρόνου, παρόλο που το σύστημα παραμένει αδιατάρακτο στη λιγότερο ενεργειακή του κατάσταση.
Το αποτέλεσμα δεν είναι σοκαριστικό, λέει ο Watanabe, επειδή άλλα θεμελιώδη αποτελέσματα στη θεωρητική φυσική βγαίνουν από το παράθυρο όταν ένα σύστημα έχει αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας. «Δεν θα με εξέπληξε πολύ αυτό το είδος συμπεριφοράς σε ένα σύστημα μεγάλης εμβέλειας», λέει. "Αλλά και πάλι, είναι ωραίο να έχουμε ένα συγκεκριμένο, απλό παράδειγμα."
Μπορεί το σύστημα να υλοποιηθεί πειραματικά; Ο Kyriienko λέει ότι είναι αισιόδοξος. «Θα έπρεπε να είναι δυνατό, αλλά είναι μια προκλητική μέτρηση». Η Monroe είναι λιγότερο αισιόδοξη. Οι αλληλεπιδράσεις μακράς εμβέλειας που θέτουν οι Kozin και Kyriienko στο μοντέλο τους είναι πολύ πιο περίπλοκες από αυτές που λειτουργούν μεταξύ ιόντων σε μια παγίδα, λέει η Monroe. «Δεν νομίζω ότι έχουμε στην πράξη κανένα φυσικό σύστημα που να επιτρέπει τέτοιες αλληλεπιδράσεις», λέει η Monroe. "Αλλά θα μπορούσαμε να εκπλαγούμε. Αυτό είναι το σπουδαίο με την επιστήμη."
