Fizycy przewidują istnienie kryształów czasu

Jedną z najpotężniejszych idei współczesnej fizyki jest to, że Wszechświatem rządzi symetria. Jest to idea, że ​​pewne właściwości systemu nie zmieniają się, gdy przechodzi on jakąś transformację.

Na przykład, jeśli układ zachowuje się tak samo niezależnie od swojej orientacji lub ruchu w przestrzeni, musi przestrzegać prawa zachowania pędu.

Jeśli system daje ten sam rezultat niezależnie od tego, kiedy ma miejsce, musi przestrzegać prawa zachowania energii.

Za ten potężny sposób myślenia dziękujemy niemieckiej matematyk Emmy Noether. Według jej słynnego twierdzenia, każda symetria odpowiada prawu zachowania. A prawa fizyki są zasadniczo wynikiem symetrii.

Równie silna jest idea łamania symetrii. Kiedy wszechświat wykazuje mniejszą symetrię niż opisujące go równania, fizycy twierdzą, że symetria została złamana.

Dobrze znanym przykładem jest rozwiązanie niskoenergetyczne związane z wytrącaniem ciała stałego z roztworu — tworzeniem kryształów o okresowości przestrzennej. W tym przypadku symetria przestrzenna załamuje się.

Kryształy przestrzenne są dobrze zbadane i dobrze poznane. Rodzą jednak interesujące pytanie: czy wszechświat pozwala na tworzenie się w czasie podobnych okresów?

Dzisiaj Frank Wilczek z Massachussettsi Institute of Technology i Al Shapere na University of Kentucky omawiają tę kwestię i dochodzą do wniosku, że symetria czasowa wydaje się równie łamliwa jak symetria przestrzenna przy niskich energiach.

Proces ten powinien prowadzić do okresowości, które nazywają kryształami czasu. Co więcej, kryształy czasu powinny istnieć, prawdopodobnie pod naszymi nosami.

Przyjrzyjmy się temu pomysłowi bardziej szczegółowo. Po pierwsze, co to znaczy, że system łamie symetrię czasu? Tak myślą o tym Wilczek i Shapere. Wyobrażają sobie system w swoim najniższym stanie energetycznym, który jest całkowicie opisany, niezależnie od czasu.

Ponieważ jest w swoim najniższym stanie energetycznym, system ten powinien zostać zamrożony w kosmosie. Dlatego, jeśli system się poruszy, musi złamać symetrię czasu. Jest to równoważne idei, że najniższy stan energetyczny ma minimalną wartość na krzywej w przestrzeni, a nie w pojedynczym punkcie izolowanym

To właściwie nie jest takie niezwykłe. Wilczek wskazuje, że nadprzewodnik może przenosić prąd — ruch masowy elektronów — nawet w najniższym stanie energetycznym.

Reszta to w zasadzie matematyka. W ten sam sposób, w jaki równania fizyki pozwalają na spontaniczne tworzenie przestrzennych kryształów, periodyczności w przestrzeni, muszą także umożliwiać powstawanie periodyczności w czasie lub kryształów czasu.

Wilczrek rozważa w szczególności spontaniczne łamanie symetrii w zamkniętym układzie mechaniki kwantowej. Tutaj matematyka staje się trochę dziwna. Mechanika kwantowa zmusza fizyków do myślenia o wyimaginowanych wartościach czasu lub iTime, jak nazywa to Wilczek.

Pokazuje, że te same okresowości powinny powstać w iTime i że powinno to objawiać się okresowym zachowaniem różnego rodzaju właściwości termodynamicznych.

Ma to szereg ważnych konsekwencji. Po pierwsze istnieje możliwość, że proces ten zapewnia mechanizm pomiaru czasu, ponieważ zachowanie okresowe przypomina wahadło. Spontaniczne tworzenie się kryształu czasu reprezentuje spontaniczne pojawienie się zegara, mówi Wilczek.

Inną jest możliwość wykorzystania kryształów czasu do wykonywania obliczeń przy użyciu zerowej energii. Jak ujął to Wilczek, można spekulować, że… system mechaniki kwantowej, którego stany można interpretować jako zbiór kubitów, można by tak skonstruować, aby przemierzał zaprogramowany krajobraz stanów ustrukturyzowanych w przestrzeni Hilberta w czasie.

W sumie jest to prosty argument. Ale prostota jest często zwodniczo potężna. Oczywiście pojawią się spory dotyczące niektórych kwestii, które się z tym wiążą. Jednym z nich jest to, że ruch łamiący symetrię czasu wydaje się nieco zagadkowy. Wilczek i Shapere przyznają to: Mówiąc ogólnie, to, czego szukamy, niebezpiecznie zbliża się do perpetuum mobile.

To będzie wymagało obrony. Ale jeśli ktokolwiek ma rodowód, by posuwać te idee do przodu, to jest nim Wilczek, fizyk zdobywca nagrody Nobla.

Nie możemy się doczekać kolejnej debaty.

Odniesienia:

arxiv.org/abs/1202.2539 :Kryształy czasu kwantowego

arxiv.org/abs/1202.2537 Klasyczne kryształy czasu

ukryć