Kwantowe kryształy czasoprzestrzenne Wilczka

O tym, czy kryształy czasowe (czasoprzestrzenne) istnieją naprawdę, fizycy zastanawiają się od 2012 roku, kiedy to noblista Frank Wilczek zaproponował ich istnienie. Te hipotetyczne obiekty dysponują strukturą powtarzalną (jak w klasycznym krysztale), choć nie w przestrzeni, a w czasie. W ostatnich latach, większość fizyków jednogłośnie sugerowała, że istnienie kryształów czasowych jest niemożliwe ze względu na ich dziwne właściwości. Choć kryształy czasowe nie mogłyby być używane do generowania energii użytecznej i nie łamią drugiej zasady termodynamiki, wydaje się, że naruszają fundamentalną symetrię praw fizyki. 

Uczeni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara (UCSB) i Microsoft Station Q wykazali na przełomie lat 2016/2017, że istnienie kryształów czasu jest możliwe. Kryształy są bowiem zdolne do spontanicznego złamania symetrii translacji czasu. Z klasycznymi kryształami spotkał się każdy z nas. Są nimi ziarenka soli kuchennej, płatki śniegu, grafit w ołówkach albo kamienie szlachetne takie jak diament. Wszystkie one mają wspólną cechę. Gdybyśmy popatrzyli na nie przez bardzo dobry mikroskop, okazałoby się, że atomy są w nich ułożone w regularną sieć i każdy z nich ma swoje dobrze określone miejsce. 

Kryształki lodu i śniegu

Spontaniczne złamanie symetrii to zjawisko fizyczne zachodzące, gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię, niż symetria układu fizycznego. Wyobraźmy sobie garść monet zawieszonych w stanie nieważkości. Można odróżnić orła od reszki, ale poza tym monety są symetryczne względem odwracania. Każdą monetę, na której widzimy reszkę, możemy odwrócić o 180 stopni i wtedy zobaczymy na niej orła. Kiedy włączymy grawitację, a monety spadną na jakąś płaszczyznę, niektóre z nich leżą do góry orłem, a inne reszką. Bez podnoszenia monet z płaszczyzny nie możemy zamienić monety z reszką w monetę z orłem. Nie występuje między nimi symetria. Tę można zauważyć dopiero po wprowadzeniu do układu odpowiedniej energii, niezbędnej do podniesienia monety. Dlatego spontaniczne złamanie symetrii jest najlepiej widoczne w wysokich energiach. W fizyce zjawisko złamania symetrii można zaobserwować podczas spontanicznego namagnesowania w ferromagnetykach. Istnieje zasadnicza różnica między bezpośrednim złamaniem symetrii i spontanicznym złamaniem symetrii. Jeżeli symetria zostaje bezpośrednio złamana, to prawa natury nie mają już symetrii. Spontaniczne złamanie symetrii oznacza, że prawa natury mają symetrię, ale natura wybiera stan, w którym jej nie ma - powiedział Dominic Else, fizyk z UCSB, współautor badań. 

Wyobraźmy sobie teraz, że jakaś tajemnicza siła zmniejszyła nas kilka miliardów razy, wepchnęła w kryształ diamentu i posadziła na jednym z atomów. Rozglądamy się wokół i widzimy wszystkie inne atomy ustawione w proste linie jak żołnierze podczas defilady. Wystarczy jednak, że zejdziemy z naszego atomu i przejdziemy nieco w bok, a obraz się zmieni. Wciąż będziemy widzieć atomy ustawione w rzędach, ale pod nieco innym kątem. Gdy jednak postanowimy iść dalej i dotrzemy do następnego atomu, obraz który zobaczymy, będzie dokładnie taki sam jak na początku naszej wędrówki. Każdy atom diamentu ma bowiem dokładnie takie samo otoczenie jak wszystkie pozostałe. Gdybyśmy wybrali jakiś kierunek i uparcie szli dalej, widziany przez nas obraz cały czas by się zmieniał, ale sekwencja widoków regularnie powtarzałaby się, wprawiając nas zapewne w niezmierne znużenie. Tą regularną powtarzalność fizycy nazywają periodycznością w przestrzeni lub mówią, że kryształ posiada przestrzenną symetrię translacyjną. 

Zauważmy jednak, że struktura tradycyjnego kryształu powtarza się w przestrzeni, ale pozostaje stała w czasie. Niezależnie w jakim momencie spojrzymy na nasz kryształ przez mikroskop, będzie on wyglądał tak samo. W szczególności taka sytuacja wystąpi w bardzo niskich temperaturach, w których zamiera jakikolwiek ruch atomów. Fizycy, używając swojego slangu, mówią wtedy, że atomy znajdują się w stanie podstawowym, co oznacza, że mniejszej energii mieć już nie mogą. Cały układ jest wtedy „zamrożony” i jego struktura trwa w czasie nie podlegając żadnym zmianom. 

Kryształy w czasie

W 2012 roku prof. Frank Wilczek, amerykański fizyk teoretyk i laureat Nagrody Nobla, przewidział, że mogą istnieć nietypowe kryształy, w których atomy będą w stanie podstawowym, a mimo to struktura kryształu będzie się zmieniać okresowo w czasie. 

Płyny i gazy mają równomiernie rozłożone cząsteczki, więc zachowują symetrię przestrzenną. W niskich energiach, ta symetria zostaje złamana i dochodzi do krystalizacji tych substancji. W 2012 r. Frank Wilczek zaczął się zastanawiać, czy koncepcję trójwymiarowego kryształu nie można rozszerzyć o jeszcze jeden wymiar - czas. Hipotetyczny kryształ czas może zmieniać się wraz z upływem czasu, ale zawsze wraca do stanu podstawowego. Aby było to możliwe, musiałby znajdować się on w najniższym stanie energetycznym. Tu pojawia się sprzeczność - w najniższym stanie energetycznym nie ma ruchu, bo każdy ruch oznacza emisję energii i przejście na wyższy stan energetyczny.

Chociaż spontanicznego złamania symetrii translacji czasu nie zaobserwowano nigdy w przyrodzie, fizycy przeprowadzili symulacje wykazujące, że zjawisko to może zachodzić w pewnych układach kwantowych. Kluczowym aspektem tych układów jest fakt, że pozostają one daleko od stanu równowagi termicznej przez cały czas, a więc w ogóle się nie nagrzewają. - Znaczenie naszej pracy jest dwojakie: z jednej strony pokazuje, że symetria translacji czasu nie jest odporna na spontaniczne złamanie. Z drugiej strony, pogłębia nasze rozumienie, że układy pozbawione równowagi można zorganizować w wiele ciekawych stanów materii, które nie mogłyby istnieć w stanie równowagi - powiedziała Bela Bauer, współautorka badań. 

Kryształy czasowe (czasoprzetrzenne)

Żeby zrozumieć o co chodzi, wyobraźmy sobie najprostszą karuzelę spotykaną na placach zabaw. Dajmy na to, że posiada ona cztery takie same miejsca siedzące. Można powiedzieć, że jest to całkiem dobry model kryształu. Krzesełka (jak atomy) są od siebie równo odległe i z perspektywy każdego z nich karuzela wygląda dokładnie tak samo. Stojąc z boku, układ krzesełek się nie zmienia, czyli jest trwały w czasie, podobnie jak porządny kryształ w stanie podstawowym. Wystarczy jednak zakręcić karuzelą, aby otrzymać coś zupełnie nowego. Układ siedzeń wciąż jest regularny, ale stojąc obok karuzeli z każdą chwilą widzimy inną ich konfigurację. Konfiguracja ta jednak odtwarza się w czasie, bo co kilka chwil przed naszymi oczami pojawia się to samo ułożenie krzesełek. Otrzymaliśmy zatem układ, który jest nie tylko periodyczny w przestrzeni ale jest również periodyczny w czasie. I tym właśnie są KRYSZTAŁY CZASOWE. Uwaga: nie kryształy czasu (tak nazywa się gra rpg), ale właśnie poprawnie po polsku „kryształy czasowe”. Rzadziej spotyka się nazwę „kryształy czasoprzestrzenne”, która jednak wydaje się być najabardziej fachowa. 

Raz wprawiony w ruch kryształ czasu wykazywałby właściwości perpetuum mobile. Poruszałby się w nieskończoność bez dopływu jakiejkolwiek energii z zewnątrz. Ponieważ bez dodawania energii, nie dałoby się wyciągnąć z niego żadnej energii, nie łamałby tym samym żadnych praw fizyki. Według fizyków, przeprowadzenie eksperymentu pozwalającego na obserwację złamania symetrii translacji czasu, byłoby możliwe. Wystarczyłoby stworzyć sztuczny model kryształu czasu zbudowanego z atomów, jonów lub kubitów. Od 2012 roku trwają prace nad wdrożeniem go w życie. Kryształ czasoprzestrzenny (kryształ czterowymiarowy, kryształ czasu) – teoretyczna struktura powtarzalna w czasie i przestrzeni. Rozszerza pojęcie kryształu na czwarty wymiar (tutaj czas jest uznawany za 4 wymiar). 

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. 

Mamy z nim na przykład do czynienia, kiedy schładzamy wodę. Poniżej pewnej temperatury traci ona swoją przestrzenną symetrię i zamienia się w lód. Z substancji, która w swej masie wygląda tak samo w każdym punkcie, robi się kryształ, który ma strukturę sieci. Każdy kryształ zbudowany jest z powtarzających się tzw. komórek elementarnych. Cząsteczki zajmują ściśle określone miejsca, zwane węzłami sieci krystalicznej, i mogą jedynie drgać wokół tych położeń. W wodzie jest inaczej - tu panuje symetria ciągła, nie ma żadnych miejsc zabronionych dla cząsteczek, woda w każdym miejscu i w każdym kierunku wygląda tak samo.

Laserem w iterb

O karuzeli przyjemnie się opowiada, ale ten pomysł trzeba przenieść do mikroświata, a i jeszcze wywołać ruch atomów w stanie podstawowym, chociaż w tym stanie nie powinno być żadnego ruchu. Istotnie, zadanie nie jest łatwe i sztuka ta udała się dopiero niedawno, w końcu 2016 roku naukowcom z Uniwersytetu Maryland. Dokonali oni tego za pomocą atomów iterbu, który jest „egzotycznym” pierwiastkiem z dołu układu okresowego. Z dziesięciu takich atomów ułożyli idealnie prostą linię, a następnie za pomocą laserów wprowadzili je w stan podstawowy. Każdy atom był zjonizowany i posiadał spin ½. Tak, wiem, brzmi to zagadkowo, ale w pewnym uproszczeniu można sobie wyobrazić, że każdy atom był małym magnesem, który swój biegun północy mógł ustawić w dowolnym kierunku. Atomy w łańcuchu były na tyle blisko siebie, że „czuły” siebie nawzajem i w stanie podstawowym wszystkie ustawiły swoje bieguny północne w jednym kierunku. Mamy zatem idealne uporządkowanie zarówno atomów jak i ich spinów, czyli porządny kryształ.

A teraz najciekawsze. Fizycy włączyli dodatkowy laser, który spowodował wprowadzenie bardzo małego zaburzenia do układu. Zaburzenie było na tyle niewielkie, że nie spowodowało utraty stanu podstawowego. Zapoczątkowało jednak zmiany kierunku, w którym celowały północne bieguny atomów iterbu. Zmiany tego kierunku następowały periodycznie w czasie, tak samo dla wszystkich atomów. W każdym momencie obserwowano idealny porządek, ale z każdą chwilą ten porządek był trochę inny, odtwarzając się sam z siebie co jakiś czas. Tak samo jak w przypadku kręcącej się karuzeli. Oznacza to, że otrzymano po raz pierwszy kryształ czasowy przewidziany 5 lat temu przez Wilczka.

Nie liczmy na perpetuum mobile

Kryształy czasowe budzą duże zaciekawienie wśród fizyków, bo są nowym, wcześniej nieobserwowanym stanem materii. Ich własności i zachowanie są trudne do przewidzenia, co otwiera szerokie możliwości badania nieznanego obszaru fizyki. Czy uda się zbudować kryształy czasowe o wielkościach makroskopowych? Jak szybko nauczymy się wytwarzać je z innych atomów? Czy znajdziemy dla nich jakieś zastosowania? Tego jeszcze nikt nie wie. Pojawiają się jednak głosy, że ich odkrycie może pomóc w konstrukcji komputerów kwantowych, które już od tak dawna chcielibyśmy mieć na naszych biurkach.

No i jeszcze jedno. Stworzenie po raz pierwszy kryształów czasowych wzbudziło w internecie sporo zamieszania. Od razu pojawiły się głosy twierdzące, że oto zostało skonstruowane perpetuum mobile, no bo przecież otrzymaliśmy układ, który zmienia swój stan (porusza się) bez energii. I to bez końca. Być może dałoby się ten ruch wykorzystać w jakiś pożyteczny sposób i coś z jego pomocą zasilić? Spokojnie, pora ochłonąć. Kryształy czasowe nie łamią znanych nam praw fizyki i nie sposób pozyskać z nich energii. Pamiętajmy bowiem, że znajdują się one w swoim stanie podstawowym, czyli mniej energii mieć już nie mogą. Marzenia o niewyczerpanym źródle energii wciąż zatem pozostają mrzonką. 

- Takie "fazy czasowe" kryształów mogą posłużyć do budowy pamięci kwantowych - piszą fizycy z Maryland w "Nature". Z kolei zespół z Harvardu uważa, że to się przyda do pomiarów kwantowych stanów.