Fysikere forudsiger eksistensen af ​​tidskrystaller

En af de mest kraftfulde ideer i moderne fysik er, at universet er styret af symmetri. Dette er ideen om, at visse egenskaber ved et system ikke ændres, når det gennemgår en transformation af en art.

For eksempel, hvis et system opfører sig på samme måde uanset dets orientering eller bevægelse i rummet, skal det adlyde loven om bevarelse af momentum.

Hvis et system producerer det samme resultat, uanset hvornår det finder sted, skal det overholde loven om energibevarelse.

Vi har den tyske matematiker, Emmy Noether, at takke for denne kraftfulde måde at tænke på. Ifølge hendes berømte teorem svarer enhver symmetri til en bevarelseslov. Og fysikkens love er i det væsentlige resultatet af symmetri.

Lige så stærk er ideen om symmetribrud. Når universet viser mindre symmetri end ligningerne, der beskriver det, siger fysikere, at symmetrien er blevet brudt.

Et velkendt eksempel er lavenergiopløsningen forbundet med udfældningen af ​​et fast stof fra en opløsning - dannelsen af ​​krystaller, som har en rumlig periodicitet. I dette tilfælde bryder den rumlige symmetri ned.

Rumlige krystaller er godt undersøgt og godt forstået. Men de rejser et interessant spørgsmål: tillader universet dannelsen af ​​lignende periodiciteter over tid?

I dag diskuterer Frank Wilczek ved Massachussettsi Institute of Technology og Al Shapere ved University of Kentucky dette spørgsmål og konkluderer, at tidssymmetri virker lige så brydbar som rumlig symmetri ved lave energier.

Denne proces skulle føre til periodiciteter, som de kalder tidskrystaller. Hvad mere er, tidskrystaller burde eksistere, sandsynligvis under vores næse.

Lad os udforske denne idé lidt mere detaljeret. For det første, hvad betyder det for et system at bryde tidssymmetri? Wilczek og Shapere tænker på det sådan her. De forestiller sig et system i dets laveste energitilstand, der er fuldstændig beskrevet, uafhængigt af tid.

Fordi det er i sin laveste energitilstand, burde dette system fryses i rummet. Derfor, hvis systemet bevæger sig, skal det bryde tidssymmetrien. Dette svarer til ideen om, at den laveste energitilstand har en minimumsværdi på en kurve på rummet snarere end på et enkelt isoleret punkt

Det er faktisk ikke så ekstraordinært. Wilczek påpeger, at en superleder kan bære en strøm - elektronernes massebevægelse - selv i dens laveste energitilstand.

Resten er i det væsentlige matematik. På samme måde som fysikkens ligninger tillader spontan dannelse af rumlige krystaller, periodiciteter i rummet, så skal de også tillade dannelsen af ​​periodiciteter i tids- eller tidskrystaller.

Især overvejer Wilczrek spontant symmetribrud i et lukket kvantemekanisk system. Det er her, matematikken bliver lidt mærkelig. Kvantemekanikken tvinger fysikere til at tænke over imaginære værdier af tid eller iTime, som Wilczek kalder det.

Han viser, at de samme periodiciteter burde opstå i iTime, og at dette skulle vise sig som periodisk adfærd af forskellige slags termodynamiske egenskaber.

Det har en række vigtige konsekvenser. For det første er muligheden for, at denne proces giver en mekanisme til at måle tid, da den periodiske adfærd er som et pendul. Den spontane dannelse af en tidskrystal repræsenterer den spontane fremkomst af et ur, siger Wilczek.

En anden er muligheden for, at det kan være muligt at udnytte tidskrystaller til at udføre beregninger ved brug af nulenergi. Som Wilczek udtrykker det, er det interessant at spekulere i, at et...kvantemekanisk system, hvis tilstande kunne fortolkes som en samling af qubits, kunne konstrueres til at krydse et programmeret landskab af strukturerede tilstande i Hilbert-rummet over tid.

Alt i alt er dette et simpelt argument. Men enkelhed er ofte bedragerisk kraftfuld. Selvfølgelig vil der være uenighed om nogle af de spørgsmål, dette rejser. En af dem er, at bevægelsen, der bryder tidssymmetrien, virker lidt forvirrende. Wilczek og Shapere erkender dette: Når vi taler bredt, ser det, vi leder efter, faretruende tæt ud på evig bevægelse.

Det vil kræve noget forsvar. Men hvis nogen har stamtavlen til at skubbe disse ideer frem, så er det Wilczek, som er en nobelprisvindende fysiker.

Vi ser frem til den efterfølgende debat.

Refs:

arxiv.org/abs/1202.2539 : Kvantetidskrystaller

arxiv.org/abs/1202.2537 Klassiske tidskrystaller

skjule