211service.com
Natuurkundigen voorspellen het bestaan van tijdkristallen
Een van de krachtigste ideeën in de moderne natuurkunde is dat het heelal wordt geregeerd door symmetrie. Dit is het idee dat bepaalde eigenschappen van een systeem niet veranderen wanneer het een of andere transformatie ondergaat.
Als een systeem zich bijvoorbeeld op dezelfde manier gedraagt, ongeacht zijn oriëntatie of beweging in de ruimte, moet het voldoen aan de wet van behoud van momentum.
Als een systeem hetzelfde resultaat produceert, ongeacht wanneer het plaatsvindt, moet het voldoen aan de wet van behoud van energie.
We hebben de Duitse wiskundige Emmy Noether te danken voor deze krachtige manier van denken. Volgens haar beroemde stelling is elke symmetrie gelijk aan een behoudswet. En de wetten van de fysica zijn in wezen het resultaat van symmetrie.
Even krachtig is het idee van symmetriebreking. Wanneer het universum minder symmetrie vertoont dan de vergelijkingen die het beschrijven, zeggen natuurkundigen dat de symmetrie is verbroken.
Een bekend voorbeeld is de energiezuinige oplossing die wordt geassocieerd met de precipitatie van een vaste stof uit een oplossing - de vorming van kristallen, die een ruimtelijke periodiciteit hebben. In dit geval valt de ruimtelijke symmetrie weg.
Ruimtelijke kristallen zijn goed bestudeerd en goed begrepen. Maar ze roepen een interessante vraag op: staat het universum de vorming van vergelijkbare periodiciteiten in de tijd toe?
Vandaag bespreken Frank Wilczek van het Massachussettsi Institute of Technology en Al Shapere aan de Universiteit van Kentucky deze vraag en concluderen dat tijdsymmetrie net zo breekbaar lijkt als ruimtelijke symmetrie bij lage energieën.
Dit proces zou moeten leiden tot periodiciteiten die ze tijdkristallen noemen. Bovendien zouden er tijdkristallen moeten bestaan, waarschijnlijk onder onze neus.
Laten we dit idee in wat meer detail onderzoeken. Ten eerste, wat betekent het voor een systeem om de tijdsymmetrie te doorbreken? Wilczek en Shapere denken er zo over. Ze stellen zich een systeem voor in zijn laagste energietoestand dat volledig is beschreven, onafhankelijk van de tijd.
Omdat het zich in de laagste energietoestand bevindt, zou dit systeem in de ruimte moeten worden bevroren. Daarom, als het systeem beweegt, moet het de tijdsymmetrie doorbreken. Dit komt overeen met het idee dat de laagste energietoestand een minimumwaarde heeft op een kromme in de ruimte in plaats van op een enkel geïsoleerd punt
Dat is eigenlijk niet zo bijzonder. Wilczek wijst erop dat een supergeleider een stroom kan geleiden - de massabeweging van elektronen - zelfs in zijn laagste energietoestand.
De rest is in wezen wiskunde. Op dezelfde manier dat de vergelijkingen van de fysica de spontane vorming van ruimtelijke kristallen, periodiciteiten in de ruimte, toestaan, zo moeten ze ook de vorming van periodiciteiten in tijd of tijdkristallen mogelijk maken.
In het bijzonder beschouwt Wilczrek spontane symmetriebreking in een gesloten kwantummechanisch systeem. Dit is waar de wiskunde een beetje vreemd wordt. De kwantummechanica dwingt natuurkundigen om na te denken over denkbeeldige waarden van tijd of iTime, zoals Wilczek het noemt.
Hij laat zien dat dezelfde periodiciteiten in iTime zouden moeten voorkomen en dat dit zich zou moeten manifesteren als periodiek gedrag van verschillende soorten thermodynamische eigenschappen.
Dat heeft een aantal belangrijke consequenties. Ten eerste is er de mogelijkheid dat dit proces een mechanisme biedt voor het meten van tijd, aangezien het periodieke gedrag als een slinger is. De spontane vorming van een tijdkristal vertegenwoordigt de spontane opkomst van een klok, zegt Wilczek.
Een andere mogelijkheid is dat het mogelijk is om tijdkristallen te gebruiken om berekeningen uit te voeren met nul-energie. Zoals Wilczek het stelt, is het interessant om te speculeren dat een ... kwantummechanisch systeem waarvan de toestanden kunnen worden geïnterpreteerd als een verzameling qubits, kan worden ontworpen om in de loop van de tijd een geprogrammeerd landschap van gestructureerde toestanden in de Hilbert-ruimte te doorkruisen.
Al met al is dit een eenvoudig argument. Maar eenvoud is vaak bedrieglijk krachtig. Natuurlijk zullen er meningsverschillen zijn over een aantal van de problemen die dit oproept. Een daarvan is dat de beweging die de tijdsymmetrie doorbreekt een beetje raadselachtig lijkt. Wilczek en Shapere erkennen dit: in het algemeen gesproken, wat we zoeken, lijkt gevaarlijk dicht bij perpetuum mobile.
Dat zal wat verdediging nodig hebben. Maar als iemand de stamboom heeft om deze ideeën naar voren te schuiven, dan is het Wilczek, een Nobelprijswinnende natuurkundige.
We kijken uit naar het volgende debat.
Scheidsrechters:
arxiv.org/abs/1202.2539 : Kwantumtijdkristallen
arxiv.org/abs/1202.2537 Klassieke tijdkristallen