کریستال‌های زمان در صورت وجود می‌توانند تقارن فضازمان را نقض کنند

وجود کریستال‌های زمان ۴ سال پیش برای نخستین بار از سوی فیزیکدانان پیشنهاد شد. اکنون گروهی از دانشمندان در کالیفرنیا به شواهدی از وجود این کریستال‌ها در دنیای واقعی دست یافته‌اند. در این گزارش به توضیح کلی کریستال‌های زمان و همچنین یافته‌های اخیر پیرامون آن می‌پردازیم. با زومیت همراه باشید.

کریستال‌های زمان یا (time crystals) پدیده‌های فرضی هستند که برای اولین بار توسط فیزیکدان تئوری برنده‌ی جایزه‌ی نوبل فرانک ویلچک (Frank Wilczek) در سال ۲۰۱۲ پیشنهاد شدند. چنین به نظر می‌رسد که این ساختارهای فرضی حتی در پایین‌ترین حالت انرژی خود نیز دارای جنبش هستند.

 این توانایی در کریستال‌های زمان یک تقارن بنیادی در فیزیک به نام تقارن انتقال زمان (time-translation symmetry) را نقض می‌کند. اما فیزیکدانان در حال حاضر نشان داده‌اند که واقعا ممکن است چنین کریستال‌هایی از نظر فیزیکی نیز وجود داشته باشند. شاید مفاهیم یاد شده برای برخی افراد هیچ مفهوم  روشنی نداشته باشد. برای روشن‌تر شدم هر یک از مفاهیم فوق در ادامه‌ی گزارش به توضیحات بیشتری خواهیم پرداخت.

 در سال ۲۰۱۲، ویلچک و یک تیم از فیزیکدانان نظری در دانشگاه MIT پیشنهاد داده بودند که امکان اضافه کردن بعد چهارم  (جنبش زمان) به یک کریستال وجود دارد. این کار در واقع به نوعی با القای توانایی به یک کریستال برای عمل به عنوان نوعی نگه‌دارنده‌ی زمان دایمی یا یک ساعت دایمی قابل انجام است.

 در شرایط پایه‌ای، ویلچک جرمی را تصور می‌کند که می‌تواند حرکت دایمی با یک دوره‌ی حرکتی مشخص و سپس بازگشت به حالت اصلی خود را بارها و بارها در کمترین حالت انرژی خود داشته باشد. این حالت را در علم فیزیک با عنوان حالت پایه یا (ground state) می‌شناسیم.

 وقتی که انرژی حالت پایه‌ به عنوان انرژی نقطه‌ی صفر یک سیستم شناخته شود، به این معنی خواهد بود که وجود هر نوع جنبشی از لحاظ نظری باید غیر ممکن باشد. اما شاید برای کریستال زمان این قاعده برقرار نباشد.

 بر پایه‌ی توضیح باب ییرکا (Bob Yirka) در گفتگو با پایگاه Phys.org، ویلچک پیشنهاد کرده بود که می‌توانیم با استفاده از یک ابررسانا در دمای پایین یک کریستال زمان بسازیم، به این دلیل که کریستال‌ها به طور طبیعی چینش خود را در دماهای پایین‌تر شکل می‌دهند. ییرکا در این مورد می‌گوید:

این امر معقول به نظر می‌رسد که فرض کنیم اتم‌ها در چنین کریستالی به طور امکان‌پذیری می‌توانند حرکت و یا چرخش داشته و سپس به طور طبیعی و مداوم به حالت طبیعی خود بازگشت کنند. زیرا کریستال‌ها بر پایه‌ی ویژگی طبیعی خود همواره به دنبال پایین‌ترین حالت انرژی هستند.

 ایده‌ی مطرح شده بر این اساس است که یک حلقه‌ی یونی درون کریستال به طور آزادانه به حرکت واداشته شود. برای توضیح بیشتر می‌توانیم به حرکت یک موش درون شکم مار اشاره کنیم؛ اما ویلچک نمی‌دانست که به طور دقیق چگونه می‌توان چنین سازوکاری را ساخت.

 چند ماه بعد از ارایه‌ی آن پیشنهاد اولیه‌ی، یک تیم جداگانه از فیزیکدانان دانشگاه پوردو پس از انجام بررسی‌هایی اعلام کردند که برنامه‌ی ویلکزک می‌تواند عملی شود. آنها برای این کار فقط نیاز به دام‌های یونی بهتری داشتند و این دام‌های یونی ابزارهایی هستند که در آن زمان انتظار می‌رفت چند سال بعد به طور امکان‌پذیری توسعه بیایند. هم اکنون نیز به نظر می‌رسد که روند پیشنهادی طبق پیش‌بینی‌ها سپری شده و ما به زمان مورد نظر برای عملی شدن آن طرح رسیده‌ایم.

 فیزیکدانان دانشگاه کالیفرنیا سانتا باربارا، پیشنهاد کرده‌اند که در حالت تئوری امکان ساخت یک کریستال زمان از یک سیستم بزرگ اتم‌ها، یون‌ها یا کیوبیت‌های ابررسانای به دام افتاده درست همانند حالتی که تیم پژوهشی دانشمندان پوردو چهار سال قبل پیش‌بینی کرده بودند، وجود دارد. گفتنی است که کیوبیت‌ها ذرات به کار رفته در کامپیوترهای کوانتومی هستند که برای جایگزینی با بیت‌های موجود در کامپیوترهای امروزی در نظر گرفته می‌شوند.

 اما نکته‌ی مهمی که وجود دارد این است که آنها به طور خاص به دنبال روشی برای تولید کریستال زمان نبودند. بلکه آنها بیشتر بر آن بودند تا ثابت کنند که کریستال‌های زمان می‌توانند در واقعیت نیز وجود داشته باشند و به این ترتیب با بزرگ‌ترین استدلالی که در برابر این دیدگاه مطرح است به مخالفت بپردازند. این استدلال همانطور که پیشتر نیز اشاره کردیم بیانگر این است که وجود کریستال‌های زمان به منزله‌ی شکسته شدن بنیادی تقارن انتقال زمان (TTS) است.

تقارن زمان نسخه‌ای از یکی از سه تقارن فضا‌زمانی است که به نام تقارن انتقالی شناخته می‌شود و بر پایه‌ی آن گفته می‌شود که قوانین فیزیک در همه‌ی مکان‌ها و در هر زمانی ثابت هستند. این تقارن در واقع یکی از اساسی‌ترین مفروضات در درک فعلی ما از فیزیک است. اما اعضای گروه پژوهشی دانشگاه کالیفرنیا باور دارند که می‌توان در دنیای واقعی نیز تقارن انتقال زمان را بدون فروپاشی هیچ پدیده‌ای شکست. دومینیک الس (Dominic Else) یکی از اعضای گروه در گفتگو با لیزا زیگا از پایگاه Phys.org گفت:

تفاوت اساسی در اینجا بین شکست تقارن به صورت صریح و شکستن تقارن به صورت خود به خودی است.

 اگر یک تقارن به صورت صریح شکسته شود، در آن صورت قوانین طبیعت دیگر دارای تقارن نخواهند بود؛ شکستن تقارن خود به خودی بدان معنی است که قوانین طبیعت تقارن داشته باشد، اما طبیعت حالتی را انتخاب می‌کند که دارای تقارن نباشد.

 بر پایه‌ی توضیح زیگا، در حالی که شکست خود به خودی تقارن انتقال زمان پیش از این هرگز مشاهده نشده است، تقریبا می‌توان گفت هر نوع دیگری از شکست تقارن به صورت خود به‌ خودی است. برای مثال می‌توان به این پرسش اشاره کرد که چگونه یک آهن‌ربا قطب‌های شمال و جنوب خود را به دست می‌آورد؟ به عبارتی چه نیرویی تعیین می‌کند که کدام قطب آن شمال و کدام یک از آنها جنوب باشد؟ و اینکه چگونه بلورهای معمولی از زوایای مختلف در فضا به صورت‌های مختلف دیده می‌شوند.

 این تیم با استفاده از یک شبیه‌سازی نشان دادند که شکت تقارن انتقال زمان چگونه می‌تواند به صورت خود به خود در یک نوع سیستم کوانتومی به نام «سیستم‌های مکانی چندبدنه‌ای فلوکوئت هدایت شونده» یا (Floquet-many-body-localised driven systems) روی دهد.

آنها دریافتند که یک کریستال ساده می‌تواند به چنین سیستمی تبدیل شده و بتواند به دو پدیده‌ای‌ برسد که با درک اخیر ما از فیزیک نیز سازگار باشد. مورد اول این است که کریستال به دست آمده در همه‌ی زمان‌ها به دور از تعادل گرمایی باقی مانده بود؛ به این معنی که سیستم  با وجود حرکات تناوبی و نوسانی هرگز گرم نمی‌شود. و در مرحله‌ی دوم، هنگامی که اندازه‌ی کلی سیستم به رشد خود ادامه می‌دهد، زمان مورد نیاز برای فرورفت از یک حالت شکست تقارنی به یک حالت تقارنی افزایش می‌یابد؛ یعنی اینکه در یک سیستم نامحدود، حالت تقارنی هرگز قابل دستیابی نخواهد بود.

 بنابراین تقارن انتقال زمان را می‌توان به طور نامحدود در سیستم کریستال زمان شکست. اما این جسم همیشه چرخش‌کننده گرم نمی‌شود و در این حالت قانون دوم ترمودینامیک همچنان پابرجا باقی می‌ماند. گفتنی است که قانون دوم ترمودینامیک یک شرط بسیار مهم در میان قوانین فیزیک برای وجود یک کریستال به شمار می‌رود. بلا بور (Bela Bauer) یکی از اعضای تیم پژوهشی در این باره گفت:

 کار ما از دو جهت دارای اهمیت است. در یک طرف، این کار نشان می‌دهد که تقارن انتقال در برابر شکست به صورت خود به خودی ایمن نیست. از سوی دیگر، این کار باعث می‌شود تا ما درک ژرف‌تری از سیستم‌های غیرتعادلی به دست آوریم که این سیستم‌های می‌توانند در بر دارنده‌ی حالت‌های بسیار جالبی از ماده باشند که وجود آن در سیستم‌های تعادلی ناممکن است.

 مسلما گام بعدی این فرایند برای افرادی که بخواهند آن را دنبال کنند این است که در ادامه‌ی این آزمایش‌ها یک نمونه‌ی واقعی نیز از چنین سیستمی ساخته شود و با شرایط کنونی به نظر می‌رسد که در حال حاضر بهترین زمان برای این است که بتوانیم یک کریستال زمان واقعی را ایجاد کنیم. در پایان باید اشاره کنیم که یافته‌های این مطالعه در مجله‌ی Physical Review Letters منتشر شده است.