Fysiker förutsäger existensen av tidskristaller

En av de mest kraftfulla idéerna i modern fysik är att universum styrs av symmetri. Detta är tanken att vissa egenskaper hos ett system inte förändras när det genomgår en transformation av något slag.

Till exempel, om ett system beter sig på samma sätt oavsett dess orientering eller rörelse i rymden, måste det lyda lagen om bevarande av momentum.

Om ett system producerar samma resultat oavsett när det äger rum, måste det lyda lagen om energibevarande.

Vi har den tyska matematikern Emmy Noether att tacka för detta kraftfulla sätt att tänka. Enligt hennes berömda teorem är varje symmetri likvärdig med en bevarandelag. Och fysikens lagar är i huvudsak resultatet av symmetri.

Lika kraftfull är idén om symmetribrott. När universum visar mindre symmetri än ekvationerna som beskriver det, säger fysiker att symmetrin har brutits.

Ett välkänt exempel är den lågenergilösning som är förknippad med utfällningen av ett fast ämne från en lösning - bildandet av kristaller, som har en rumslig periodicitet. I det här fallet bryts den rumsliga symmetrin ner.

Rumsliga kristaller är väl studerade och väl förstådda. Men de väcker en intressant fråga: tillåter universum bildandet av liknande periodiciteter i tiden?

Idag diskuterar Frank Wilczek vid Massachussettsi Institute of Technology och Al Shapere vid University of Kentucky denna fråga och drar slutsatsen att tidssymmetri verkar lika brytbar som rumssymmetri vid låga energier.

Denna process bör leda till periodiciteter som de kallar tidskristaller. Dessutom borde tidskristaller finnas, förmodligen under våra näsor.

Låt oss utforska den här idén lite mer i detalj. För det första, vad betyder det för ett system att bryta tidssymmetri? Wilczek och Shapere tänker på det så här. De föreställer sig ett system i dess lägsta energitillstånd som är fullständigt beskrivet, oberoende av tid.

Eftersom det är i sitt lägsta energitillstånd, borde detta system frysas i rymden. Därför, om systemet rör sig måste det bryta tidssymmetri. Detta motsvarar idén att det lägsta energitillståndet har ett minimivärde på en kurva i rymden snarare än vid en enda isolerad punkt

Det är faktiskt inte så ovanligt. Wilczek påpekar att en supraledare kan bära en ström - elektronernas massrörelse - även i dess lägsta energitillstånd.

Resten är huvudsakligen matematik. På samma sätt som fysikens ekvationer tillåter spontan bildning av rumsliga kristaller, periodiciteter i rymden, så måste de också tillåta bildning av periodiciteter i tids- eller tidskristaller.

Speciellt överväger Wilczrek spontant symmetribrott i ett slutet kvantmekaniskt system. Det är här matematiken blir lite konstig. Kvantmekaniken tvingar fysiker att tänka på imaginära värden av tid eller iTime, som Wilczek kallar det.

Han visar att samma periodiciteter borde uppstå i iTime och att detta bör visa sig som periodiskt beteende av olika typer av termodynamiska egenskaper.

Det får en rad viktiga konsekvenser. Först ut är möjligheten att denna process ger en mekanism för att mäta tid, eftersom det periodiska beteendet är som en pendel. Den spontana bildningen av en tidskristall representerar den spontana uppkomsten av en klocka, säger Wilczek.

En annan är möjligheten att det kan vara möjligt att utnyttja tidskristaller för att utföra beräkningar med nollenergi. Som Wilczek uttrycker det är det intressant att spekulera i att ett...kvantmekaniskt system vars tillstånd skulle kunna tolkas som en samling qubits, skulle kunna konstrueras för att korsa ett programmerat landskap av strukturerade tillstånd i Hilberts rymd över tid.

Sammantaget är detta ett enkelt argument. Men enkelhet är ofta bedrägligt kraftfull. Naturligtvis kommer det att finnas dispyter om några av de frågor som detta väcker. En av dem är att rörelsen som bryter tidssymmetri verkar lite förbryllande. Wilczek och Shapere erkänner detta: I stort sett ser det vi letar efter farligt nära ut i evig rörelse.

Det kommer att behöva lite försvar. Men om någon har härstamningen att driva dessa idéer framåt, så är det Wilczek, som är en Nobelprisvinnande fysiker.

Vi ser fram emot den efterföljande debatten.

Refs:

arxiv.org/abs/1202.2539 : Kvanttidskristaller

arxiv.org/abs/1202.2537 Klassiska tidskristaller

Dölj