ساختار فیزیکی زمان کشف شد

این طرح برای اولین بار در سال ۲۰۱۲ توسط برنده نوبل فرانک ویلزک -فیزیکدان نظری- مطرح شد. بلورهای زمان ساختارهای فرضی هستند که حتی در کم ترین میزان انرژی خود باز هم جنبش دارند، که به آن نیروی اساسی گفته می شود.

موضوعی که در طی دهه های متوالی برای دانشمندان سؤال بود، این است که مسائل غیرعادی زمانی اتفاق می افتد که چیزهایی معین مانند بلورها و آهن رباها وارد نیروی اساسی خود می شوند که در این صورت قوانین پایه ای فیزیک را نقض می کنند. به این حالت، تقارن حرکت انتقالی زمان می گویند که معمولا به نیروی اساسی نامتقارن ختم می شود.

آهن ربایی را در نظر بگیرید که هم قطب منفی و هم مثبت دارد. مشخص نیست که کدام سر آهن ربا مثبت و کدام منفی است، اما نکته مهم این است که هم قطب مثبت و هم قطب منفی دارد. این یعنی هر دو سر آن همانند هم نیستند. معمولا به این حالت، حالت نامتقارن می گویند.

مثال دیگرِ شی فیزیکی با نیروی اساسی نامتقارن، بلور است. بلورها به خاطر تکرار الگوهای ساختارشان معروف هستند. اگر از یک زاویه خاص به آن ها نگاه کنید یک شکل هستند اما اگر زاویه خود را تغییر دهید شکل آن ها نیز تغییر می کند. آهن رباها هم مانند بلورها بسته به زاویه ای که آن ها را مشاهده می کنید، در فضا متفاوت دیده می شوند. چیزهایی که نیروی اساسی نا متقارن دارند، زمانی به حالت تقارن می رسند که ثابت هستند و هیچ انرژی ای به آن ها اضافه نشده است.

حال طبق طرح ویلزک، احتمالا می توان شی ای ساخت که به یک نیروی اساسی نامتقارن، آن هم نه در فضا بلکه در زمان، برسد. البته منظور بلورها یا آهن رباهای معمولی نیست.

همان طور که در گذشته گفته شد، در شرایطی بسیار ابتدایی، ویلزک شی ای را تصور کرده بود که می توانست در حالی که در نیروی اساسی –یا انرژی صفر- خود به سر می برد، به جنبشی همیشگی برسد و در فواصلی معین بارها و بارها بین نیروهای اساسی در حال انتقال باشد.

به گفته وی، برای ساخت چنین شی ای می بایست بلورهای معمولی را در دمای پایین و در شرایط ابررسانا قرار داد چراکه بلورها به صورت طبیعی، خود را با دمای پایین تر هم تراز می کنند. منطقی است که بپذیریم اتم ها در چنین بلورهایی می توانند مداوما جنبش و چرخش داشته باشند و سپس مجددا به وضعیت طبیعی خود بازگردند. درست مانند بلورهایی که در پایین ترین میزان انرژی خود هستند.

در حال حاضر تیمی از دانشگاه مریلند، چنین پروژه ای را آزمایش کردند که به نظر می رسد به نتیجه قابل قبولی دست یافتند.

طبق گزارش MIT Technology Review، انجام این فرایند بسیار ساده است. تنها نیاز است سیستمی کوانتومی ایجاد شود و یک گروه یون را به شکل حلقه درست کرد و آن ها را تا پایین ترین میزان انرژی خود، سرد کرد.

در این موقعیت می توان دید که آیا سیستم، تقارن را شکسته است یا خیر. قوانین فیزیک پیش بینی می کند که حلقه کاملا بدون هیچ گونه تغییری باقی خواهد ماند و هیچ انرژی ای برای جنبش نخواهند داشت اما اگر تقارن زمانی در نیروی اساسی شکسته شود، حلقه با فواصل معین در زمان تغییر خواهد کرد و یا خواهد چرخید.
طبق گفته های Tech Review ” نمی شود از این تکان ها انرژی استخراج کرد چرا که باعث تناقض در حافظت انرژی می شود. اما این شکست تقارنِ موقتی با تکرار این تکان ها در زمان، نمود پیدا می کند، درست همانند شکست تقارن فضایی که با تکرار الگوهای خود در فضا نمود پیدا می کند”.

اگر این موارد به سادگی چیزی که می گوییم بود، ویلزک این پروژه را در همان سال ۲۰۱۰ آزمایش می کرد. اما به این دلیل که ذرات کوانتوم به سوسو زدن در داخل و خارج از موقعیت خود در فضا گرایش دارند، تحت تأثیر متغیرهای وابسته به زمان قرار نمی گیرند، به این معنی که در زمان تکامل پیدا نمی کنند.

گام ابتدایی برای دانشگاه مریلند یافتن سیستم کوانتومی این چنینی بود. آن ها از طریق زنجیر کردن یک ردیف از یون های اتربیم در حالت چرخش به این مهم دست یافتند. این یون ها اثر متقابل بر یکدیگر داشتند و در حالت خارج از تعادل نگهداری می شدند. این حالت، یون های کوانتومی را مجبور ساخت تا در یک فضای خاص متمرکز شوند و تحت تأثیر زمان قرار بگیرند. این تیم با استفاده از لیزر، تغییر چرخش یون های ایتربیم را آغاز کرد، و با حرکت دادنِ یک یون، دیگر یون ها هم به حرکت درآمدند. این زنجیره ادامه داشت تا زمانی که همه یون ها به نوسان رسیدند.

زمانی که اشعه لیزر یکی از یون ها را به حرکت درآورد، این نوسانات در طی زمان همیشگی شدند که باعث شد دانشمندان به موضوعی عجیب برخورد کنند.
Tech Review اینگونه توضیح می دهد "دانشمندان دریافتند زمانی که سیستم نمود پیدا کرد، سرعت فعل و انفعالات دو برابر مدت اصلی بود. از آن جایی که هیچ نیروی پیشرانی در این مدت نبود، تنها حدس دانشمندان این بود که احتمالا تقارن زمانی شکسته شده است. بنابراین به دوره های طولانی تر رضایت دادند. به بیان دیگر، آن ها بلور زمان را ایجاد کرده بودند”.

به منظور درک بهتر باید گفت که ما در اینجا از ماشین های جنبش همیشگی استفاده نمی کنیم چرا که طبق این تفاسیر، انرژی در این سیستم هیچ جایگاهی ندارد.
این پروژه به ما نشان داد که بلور زمان در شرایط فیزیکی واقعی اتفاق خواهد افتاد، و طبق گفته های این تیم پژوهشی، مسئله حافظه کوانتومی قابل حل است. به این معنی که از این طریق می توان نسل آتی کامپیوترهای کوانتومی را حفظ کرد.

محققان پروژه خود را در سایت pre-printwebsitearXiv.org به نمایش گذاشتند تا همتایان خود بتوانند به راحتی از آن استفاده کنند. بنابراین ما منتظر خواهیم بود تا ببینیم آیا این گونه پژوهش ها به صورت مستقل تکرار خواهند شد. اگر که چنین شود، ما تنها در ابتدای درک پتانسیل عجیب و غریب بلور زمان هستیم.