اخبار ایران و جهان علوم پایه

تولید کریستال زمان در آزمایشگاه

کریستال زمان
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

شبیه یک داستان علمی تخیلی است اما این طور نیست: محققان اولین کریستال زمان را با استفاده از زنجیره‌ای از یون‌ها ایجاد کرده‌اند. همان‌طور که کریستال‌های استاندارد یک الگوی فضایی منظم را تکرار می‌کنند، یک کریستال زمان در زمان تکرار می‌شود و در فواصل منظم به پیکربندی یکسانی بازمی‌گردد.
«چتان نایاک» فیزیکدان پایگاه مایکروسافت کیو در دانشگاه کالیفرنیا، سانتا باربارا می‌گوید: «این آزمایش جالب‌توجه است. این عامل شگفت‌انگیزی است.»
دانشمندان دانشگاه مریلند و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی زنجیره‌ای از یون‌های ۱۰ ایتربیم را ایجاد کردند. این یون‌ها مانند ذرات دارای چرخش، مثل یک نسخه مکانیکی کوانتوم حرکت زاویه‌دار، به سمت بالا یا پایین حرکت می‌کنند. فیزیکدانان با استفاده از لیزر به حرکات چرخشی زنجیره‌ای از یون‌ها که نیم دور زده بودند، از بالا به پایین ضربه وارد کردند و اجازه دادند یون‌ها بر یکدیگر تأثیر بگذارند، به‌گونه‌ای که چرخش هر یون بر دیگری تأثیر کند. محققان این روند را در فواصل منظم تکرار کردند و هر بار به‌قدر یک نیم چرخش به یون‌ها ضربه وارد کردند و به آن‌ها اجازه دادند بر هم تأثیر بگذارند. زمانی که دانشمندان چرخش‌های یون‌ها را اندازه‌گیری کردند، به‌طور متوسط یون‌ها در دو دوره زمانی که به‌قدر نیم چرخش به حرکت واداشته شدند، یک دور کامل زده و به وضعیت اولیه خود بازگشته بودند.
این رفتار قابل‌درک است؛ اگر هر ضربه باعث شود یون‌ها نصف یک چرخش بزنند، دو ضربه لازم است تا آن‌ها به جایگاه اولیه خود بازگردند؛ اما محققان دریافتند یون‌ها با همان سرعت اولیه به موقعیت اولیه خود بازمی‌گردند، حتی اگر به‌طور کامل با ضربه نصف چرخش را طی نکرده باشند. این نتایج حاکی از آن است که سیستم یون‌ها ترجیح می‌دهد در یک بازه منظم (اوج یک کریستال زمانی) واکنش نشان دهد، درست همان‌طور که اتم‌های کریستال شبکه کاملاً فاصله‌دار را ترجیح می‌دهند. به گفته «نرمان یائو» فیزیکدان دانشگاه برکلی و از مؤلفان نتایج تحقیق تازه ۲۷ سپتامبر اعلام کرد این کریستال‌های زمان «از اولین نمونه‌های مرحله جدیدی از این موضوع هستند.»
کریستال‌های زمان در علم فیزیک مفاهیم یکسان‌ساز مهمی هستند (اندیشه نقض تقارن) و آن را به زمان هم تعمیم می‌دهند. قوانین فیزیک در فضا با همه نقاط برخورد یکسانی دارند؛ هیچ موقعیتی با دیگری تفاوت ندارد. به عنوان مثال در یک مایع، احتمال یافتن اتم‌ها در هر نقطه از فضا یکسان است. این تقارن مستدام است زیرا شرایط در هر نقطه در پیوستار فضایی یکسان است. اگر مایع به کریستال جامد تبدیل شود، این تقارن نقض می‌شود: اتم‌ها تنها در موقعیت‌های خاصی یافت می‌شوند که فاصله‌شان منظم و فضاهای خالی میانشان باشد. هم‌چنین اگر یک کریستال را بچرخانید، در مقیاس میکروسکوپی از زوایای مختلف متفاوت به نظر می‌رسد؛ اما اگر کریستال ها در مایعات چرخانده شوند، از هر زاویه همان شکل هستند. در علم فیزیک، این تقارن‌های نقض شده در راستای مسائلی ازجمله آهنرباها، ابررساناها و مکانیسم هیگز است که ذرات اولیه با یک توده باردار و منجر به تشکیل ذره بوزون هیگز می‌شود.
در سال ۲۰۱۲ «فرانک ویلچک» فیزیکدان نظری دانشگاه ام آی تی این فرضیه را مطرح کرد که نقض تقارن در زمان ممکن است موجب تشکیل کریستال زمان شود؛ اما ادامه کار نشان داد کریستال‌های زمان در نظامی که در وضعیت موازنه است یعنی ساختار آن به ثبات رسیده است، ظاهر نمی‌شوند. در مقابل فیزیکدانان دریافتند نظام‌های هدایت‌شونده که به صورت ادواری با یک نیروی خارجی به حرکت واداشته می‌شوند (مانند لیزر که به یون‌ها تلنگر می‌زند) می‌توانند چنین کریستال‌هایی ایجاد کنند. ویلچک می‌گوید: «نمونه‌های اولیه معیوب یا بیش از حد ساده بودند. این مورد بسیار جالب‌تر است.»
برخلاف تقارن پایداری که در گذار از مایع به کریستال جامد نقش می‌شود، در نظام‌های هدایت‌شونده که دانشمندان برای ایجاد کریستال زمان استفاده کردند، تقارن عینی است و در بازه‌های زمانی مربوط به زمان میان دو حرکت رخ می‌دهد. اگر سیستم در یک بازه زمانی طولانی‌تر از زمانی که هدایت‌شونده است، خود را تکرار کند (همان کاری که کریستال زمان دانشمندان می‌کند)، این تقارن نقض می‌شود.
کریستال‌های زمان بسیار جدید هستند و دانشمندان نمی‌توانند به کاربردهای عملی بالقوه آن‌ها بپردازند. ویلچک می‌گوید: «آن‌ها مانند یک نوزاد هستند، نمی‌دانید وقتی بزرگ شوند چه طور می‌شوند؛ اما ابداً فکر نمی‌کنم این آخرین اخباری باشد که در مورد آن‌ها می‌شنویم.»
نایاک می‌گوید احتمالاً هنوز نظام‌های مرتبطی وجود دارد که کشف نشده است. «ما فقط به سطح انواع پدیده‌های شگفت‌انگیز (مانند کریستال‌های زمان) که در نظام‌های کوانتوم غیرتعادلی می‌توانیم داشته باشیم، ناخنک می‌زنیم. به همین خاطر به نظر من برای ما اولین روزنه به یک قلمرو کاملاً جدید است که باید آن را کشف کنیم.»

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست