Fiziķi prognozē laika kristālu esamību

Viena no spēcīgākajām idejām mūsdienu fizikā ir tāda, ka Visumu pārvalda simetrija. Šī ir ideja, ka noteiktas sistēmas īpašības nemainās, kad tajā notiek kāda veida transformācija.

Piemēram, ja sistēma uzvedas vienādi neatkarīgi no tās orientācijas vai kustības telpā, tai ir jāievēro impulsa nezūdamības likums.

Ja sistēma rada tādu pašu rezultātu neatkarīgi no tā, kad tas notiek, tai ir jāievēro enerģijas nezūdamības likums.

Mums ir jāpateicas vācu matemātiķei Emijai Nēterei par šo spēcīgo domāšanas veidu. Saskaņā ar viņas slaveno teorēmu, katra simetrija ir līdzvērtīga saglabāšanas likumam. Un fizikas likumi būtībā ir simetrijas rezultāts.

Tikpat spēcīga ir ideja par simetrijas pārtraukšanu. Kad Visumam ir mazāka simetrija nekā vienādojumi, kas to apraksta, fiziķi saka, ka simetrija ir izjaukta.

Labi zināms piemērs ir zemas enerģijas šķīdums, kas saistīts ar cietas vielas izgulsnēšanos no šķīduma — kristālu veidošanos, kam ir telpiskā periodiskums. Šajā gadījumā telpiskā simetrija sabojājas.

Telpiskie kristāli ir labi pētīti un labi saprotami. Bet tie rada interesantu jautājumu: vai Visums pieļauj līdzīgu periodiskumu veidošanos laikā?

Šodien Frenks Vilčeks no Masačūsetsi Tehnoloģiju institūta un Kentuki Universitātes Als Šarers apspriež šo jautājumu un secina, ka laika simetrija šķiet tikpat salaužama kā telpiskā simetrija pie zemām enerģijām.

Šim procesam vajadzētu radīt periodiskumu, ko viņi sauc par laika kristāliem. Turklāt laika kristāliem vajadzētu pastāvēt, iespējams, zem mūsu deguna.

Izpētīsim šo ideju nedaudz sīkāk. Pirmkārt, ko tas nozīmē, ka sistēma pārtrauc laika simetriju? Vilčeks un Šarers par to domā šādi. Viņi iedomājas sistēmu tās zemākās enerģijas stāvoklī, kas ir pilnībā aprakstīta neatkarīgi no laika.

Tā kā šī sistēma ir viszemākajā enerģijas stāvoklī, tai vajadzētu būt iesaldētai kosmosā. Tāpēc, ja sistēma kustas, tai ir jāpārtrauc laika simetrija. Tas ir līdzvērtīgs idejai, ka zemākās enerģijas stāvoklim ir minimālā vērtība telpas līknē, nevis vienā izolētā punktā.

Tas patiesībā nav tik ārkārtējs. Vilčeks norāda, ka supravadītājs var pārvadāt strāvu — elektronu masas kustību — pat tā zemākās enerģijas stāvoklī.

Pārējais būtībā ir matemātika. Tāpat kā fizikas vienādojumi ļauj spontāni veidoties telpiskiem kristāliem, periodiskumiem telpā, tātad tiem arī jāļauj veidot periodiskumu laikā jeb laika kristālos.

Jo īpaši Vilčreks uzskata spontānu simetrijas pārrāvumu slēgtā kvantu mehāniskajā sistēmā. Šeit matemātika kļūst nedaudz dīvaina. Kvantu mehānika liek fiziķiem domāt par iedomātām laika vērtībām jeb iTime, kā to sauc Vilčeks.

Viņš parāda, ka tādām pašām periodiskumiem vajadzētu rasties iTime un ka tam vajadzētu izpausties kā dažādu termodinamisko īpašību periodiska uzvedība.

Tam ir vairākas svarīgas sekas. Pirmkārt, ir iespēja, ka šis process nodrošina laika mērīšanas mehānismu, jo periodiskā uzvedība ir kā svārsts. Laika kristāla spontāna veidošanās atspoguļo pulksteņa spontānu parādīšanos, saka Vilčeks.

Vēl viena ir iespēja, ka laika kristālus var izmantot, lai veiktu aprēķinus, izmantojot nulles enerģiju. Kā saka Vilčeks, ir interesanti spekulēt, ka… kvantu mehānisko sistēmu, kuras stāvokļus varētu interpretēt kā kubitu kopumu, varētu izveidot, lai laika gaitā šķērsotu ieprogrammētu strukturētu stāvokļu ainavu Hilberta telpā.

Kopumā tas ir vienkāršs arguments. Taču vienkāršība bieži vien ir maldinoši spēcīga. Protams, būs strīdi par dažiem jautājumiem, ko tas rada. Viens no tiem ir tas, ka kustība, kas pārtrauc laika simetriju, šķiet nedaudz mulsinoša. Vilčeks un Šapers to atzīst: runājot plaši, tas, ko mēs meklējam, šķiet bīstami tuvu mūžīgai kustībai.

Tam būs nepieciešama aizsardzība. Bet, ja kādam ir ciltsraksti, lai šīs idejas virzītu uz priekšu, tas ir Vilčeks, kurš ir Nobela prēmijas laureāts fiziķis.

Ar nepacietību gaidīsim turpmākās debates.

Atsauces:

arxiv.org/abs/1202.2539 : kvantu laika kristāli

arxiv.org/abs/1202.2537 Klasiskie laika kristāli

paslēpties