Prošlog meseca, tim fizičara sa kalifornijskog Univerziteta Berkli objavio je da su napravili nacrt za novu fazu termodinamičkog sistema, takozvani vremenski kristal. Njihova studija, objavljena u naučnom žurnalu  Physical Review Letters, pretvorila je spekulativno nagađanje u praktičan recept za laboratorijsko formiranje vremenskih kristala.

Pošto je rad izašao na internetu još prošle godine, pre zvaničnog objavljivanja, timovi naučnika sa Univerziteta Merilend i sa Harvarda su u međuvremenu po ovom receptu uspeli da stvore svoje vremenske kristale koristeći nove medijume: lasere i jonske zamke.

Vremenski kristal nije nešto opipljivo, nije ga moguće napraviti u kuhinji koristeći kuhinjsku so i vodu iz česme. Već dugo je koncept vremenskog kristala poznat na papiru, kao matematički kuriozitet. Danas ovi kristali postoje i u laboratorijskim uslovima, u (kvantnom) fizičkom obliku.

Ova tema je izuzetno komplikovana i za 99% ljudi ne naročito relevantna, bar za sada. Verovatno se upravo zato ne priča mnogo o vremenskim kristalima, iako predstavljaju veliko naučno dostignuće. Proveo sam par sati u razgovoru sa nekolicinom fizičara koji se bave temporalnom kristalografijom, ali i dalje posedujem najrudimentarnije poimanje ovog koncepta. Zahvaljujući beskonačnom strpljenju svojih sagovornika, uspeo sam da sažmem suštinu priče u najprostije, najpreciznije objašnjenje koje sam mogao da sročim, a čak i tako je prilično komplikovano.

Zašto trošiti vreme na razumevanje vremenskih kristala? Pa, iako je još uvek prilično ezoterično, ovo otkriće je veoma značajno – ne dešava se svakog dana da neko otkrije recept za stvaranje sasvim novog stanja materije, iako ovo nema mnogo veze sa čvrstim, tečnim, ili gasnim stanjima. Vremenski kristali bi jednog dana mogli imati značajnu tehnološku primenu. Teoretski, bili bi skoro savršena memorijska jedinica moćnih kvantnih kompjutera. Pa ipak, za sada je najuzbudljivija stvar u vezi sa ovim konceptom to što je toliko nov i egzotičan da čak ni fizičarima ne polazi za rukom da sagledaju njegov potencijal.

KRISTALI: ODISEJA U VREMENU I PROSTORU

Za početak, zanemarimo onu dodatnu dimenziju – vreme – i pozabavimo se običnim 3D kristalima. Kristal je u suštini svaka periodična, pravilna struktura koju atomi zauzmu u prostoru.

Pre nego što se tečnost kristalizuje, prostor koji ona zauzima je homogen – ako bismo uzeli uzorak vode, na primer, ne bi bilo razlike da li ga uzimamo sa vrha, dna, ili sredine šolje. Drugim rečima, taj prostor je simetričnih karakteristika.

Ali kada se voda kristalizuje, atomska struktura postaje fiksirana, strogo ustrojena. Prostor koji oni zauzimaju postaje periodičan. Kristal narušava raniju prostornu simetriju jer je atomska struktura usmerena – ko god je kristalizovao so, mogao je da vidi kako se njeni kristali uzdižu nagore – više nije identična po svakom smeru.

Nobelovac Frank Vilček je 2012. predvideo da bi prostorna periodičnost kristala mogla da se translira i na četvrtu, vremensku dimenziju. Vilček je zamislio sistem u najnižem mogućem energetskom stanju, praktično zamrznut u prostoru kao da je kristal.

Ali ako bi se atomi u takvom sistemu pomerili na neki način, predviđao je on, to bi narušilo njihovu vremenski transliranu simetriju – po kojoj bi taj sistem trebalo da ostane identičan u bilo kom datom trenutku. Na primer, kad bacite novčić, šansa da padne pismo ili glava uvek je 50/50 – bilo da ga bacate jednom u 10 sekundi ili jednom u 10 nanosekundi, verovatnoća se ne menja sa vremenom.

Dakle, baš kao što je tečna voda u prethodnom primeru identična u prostoru koji zauzima (prostorni simetrična), tako bi predmeti trebalo da ostanu identični u vremenu. A baš kao što je kristalizovana atomska struktura periodične umesto simetrične prirode, Vilčekovi teorijski četvorodimenzionalni kristali trebalo bi da budu vremenski periodični, odnosno asimetrični.

Ako bismo se vratili na primer novčića, kad bi se taj sistem vremenski kristalizovao, to bi značilo da bi u jednom trenutku pismo-glava šansa bila 50/50, ali u nekom drugom trenutku – recimo deset sekundi kasnije – promenila bi se na 75/25.

via Flickr/Stéphane Magnenat

Fizika dozvoljava spontanu kristalizaciju, čija periodična karakteristika narušava prostornu simetriju, pa bi tako trebalo da dozvoljava i spontano formiranje vremenskih kristala koji narušavaju simetriju vremena. Vilček je predvideo da bi se ovo moglo uočiti u periodičnom ponašanju raznih termodinamičkih procesa, na primer u rotacionom prstenu jona u minimalnom energetskom stanju. Ta struktura bi funkcionisala kao prirodno klatno koje samo od sebe meri vreme. Kako je Vilček 2012. rekao na MIT-u, „spontano formiranje vremenskih kristala bilo bi spontano formiranje časovnika.“

Vilčekova ideja bila je elegantno jednostavna koliko i dalekovida, iako nije sve detalje razjasnio. Jedan od najočiglednijih problema u vezi sa njegovim konceptom vremenskih kristala bila je činjenica da malo vuku na perpetuum mobile – ako se sistem već nalazi u najnižem mogućem energetskom stanju, odakle mu energije da izazove periodično kretanje koje narušava vremensku simetriju?

Na još osnovnijem nivou, nije bilo jasno kako bi fizičari mogli da ovaj zanimljiv matematički koncept pretvore u eksperiment koji se može potvrditi u laboratorijskim uslovima.

VREMENSKI KRISTALI OD PAPIRA DO LABORATORIJE

Tek 2016. je grupa fizičara iz Station Q, Majkrosoftove istraživačke stanice na UCSB, uspela da ispravi teorijske nedostatke kod Vilčekovih vremenskih kristala i tako pruži osnovu za njihovu konkretizaciju. Pod vođstvom fizičara Četana Najaka, ova grupa je otkrila da vremenski kristali mogu spontano da naruše simetriju vremenske translacije i tako razviju periodične karakteristike.

Najak i njegove kolege došle su do zaključka da bi spontan prekid vremenske simetrije koji definiše koncept vremenskog kristala trebalo da bude moguć unutar kvantnog sistema poznatog kao Flokeov lokalizovan pokretni sistem više tela. Ovaj poduži naziv u suštini opisuje sistem kom je urođen manjak termodinamičke ravnoteže. Drugim rečima, ovakve sisteme nemoguće je temperaturno opisati jer sam koncept temperature podrazumeva uspostavljanje ravnoteže.

Kao grubu ilustraciju, zamislimo lonac kom se sa jedne strane prinese plamen a sa druge strane kocka leda. Ako bi vas neko pitao koja je trenutna temperatura lonca, ne biste mogli da odgovorite na to pitanje – jedna strana je vrela, druga strana je hladna, dakle sam sistem je neuravnotežen. Tek pošto bi se plamen ugasio ili kocka leda otopila, sistem bi postigao ravnotežu i temperatura bi mogla da se izmeri.

Kako su utvrdili Station Q fizičari, ova vrsta neuravnoteženog Flokeovog sistema sposobna je da zauzme novo fazno stanje materije koja unutar uravnoteženih sistema ne bi bila moguća – slično kao da čaša vode pretvara u kristale leda. Baš kao što se uravnoteženi sistemi poput tečnosti ili gasa spontano kristalizuju i tako narušavaju prostornu simetriju, naučnici sa Santa Barbare predvideli su da bi neuravnoteženi sistem mogao da spontano naruši vremensku simetriju i formira vremenski kristal.

Jednostavno rečeno, Vilčekova originalna ideja zahtevala je da se kontinualna simetrija vremenske translacije naruši da bi nastao vremenski kristal. U modelu Najaka i saradnika, narušava se izolovana simetrija kakva postoji u periodično pokretanom sistemu.

Iako tim iz Station Q nije ponudio jasan plan za eksperimentalnu proizvodnju, njihova teorija dovela je do izuzetno zanimljivog zaključka o prirodi vremenskih kristala. Kada se na takav sistem deluje, to jest pokreće, na određenoj frekvenciji, on ne reaguje na istoj frekvenciji. Drugim rečima, ako se laser usmeri ka nizu jona u vremenskom kristalu sa frekvencijom od jednog pulsa svakih deset sekundi, joni neće reagovati na isti način; njihov period biće ne deset, već dvadeset, trideset, ili više sekundi.

Koliko je ovo neobično ilustruje sledeća analogija. Zamislimo troje dece, Bob i Rob vrte konopac a Alisa ga preskače. Svake tri sekunde Bob i Rob naprave po jednu rotaciju, konopac pređe pun krug, ruke im se vrate u početnu poziciju – sistem je vremenski simetričan sa periodom od tri sekunde.

via Flickr/Ed Schipul

Ali kad bi se od njih napravio vremenski kristal, simetrija bi se narušila i izvesni delovi sistema bi oscilirali po različitim frekvencijama. Na primer, ruke Boba i Roba bi napravile nekoliko punih krugova, a konopac između njih bi se okrenuo samo jednom i Alisa bi morala samo jednom da ga preskoči – to  je prilično neuobičajeno.

Za prevođenje ovog matematičkog kurioziteta u laboratorijski eksperiment zaslužni su Norman Jao i njegov UCB tim sa početka teksta. Najakova grupa je rešila teorijske probleme Vilčekove ideje, ali Jao i njegove kolege došli su do praktičnog metoda za stvaranje vremenskih kristala u laboratorijskim uslovima.

VIŠE VERZIJA VREMENSKOG KRISTALA

Po inicijalnom objavljivanju Jaovog rada, timovi sa univerziteta Merilend i Harvard uspeli su da eksperimentalno formiraju vremenske kristale po prvi put. Iako su i jedni i drugi radili po Jaovom receptu, koristili su sasvim različite mehanizme.

Tim sa Merilenda je u saradnji sa Jaom stvorio niz od 10 jona iterbijuma čiji je spin elektrona bio u kvantnoj sprezi, slično sistemu kubita koji se testiraju u razvoju kvantnih kompjutera. Da bi ovi joni ostali neuravnoteženi, na njih su bila usmerena dva lasera; jedan je stvarao magnetno polje dok je drugi menjao spin elektrona. Pošto su bili u sprezi, promena spina jednog vodila je do promene spina drugog i tako dalje, formirajući periodičnu pravilnost. Ovaj period naručio je vremenski transliranu simetriju i tako pretvorio sistem u vremenski kristal. (Period obrta jona bio je dvostruko veći od perioda laserskog pulsa.)

Promenom električnog polja i frekvencije lasera, moguće je izmeniti fazno stanje vremenskog kristala – neuravnoteženi ekvivalent promene agregatnog stanja u uravnoteženoj materiji, kao što je topljenje iz čvrstog u tečno stanje. Jao je takođe sarađivao sa timom sa Harvarda koji je stvorio svoju verziju vremenskog kristala; umesto jona iterbijuma, oni su se bavili minijaturnim nepravilnostima u dijamantskoj kristalnoj strukturi.

Rezultati eksperimenata obavljenih na Merilendu odnosno Harvardu trenutno su pod ispitivanjem; pre objavljivanja, fizičari iz ovih timova nisu mogli da detaljnije govore o svom radu.

Pošto je po svemu sudeći koncept vremenskih kristala laboratorijski dokazan (rezultati bi trebalo da budu objavljeni u Nature tokom sledećih nekoliko meseci), naučnici počinju da razmišljaju o njihovim potencijalnim primenama. Iz Station Q u Santa Barbari kažu da trenutno razmatraju integraciju ideje vremenskih kristala u razvoj kvantnih kompjutera, pre svega topoloških – oni se razlikuju od kvantnih kompjutera jonskih zamki utoliko što im se kubiti baziraju na kvazičesticama koje nastaju iz interakcije unutar materije, a ne na manipulaciji energetskih nivoa jona.

Najak kaže da je ovaj koncept kao stvoren za vremenske kristale jer se bavi bliskom interakcijom čestica, nalik onom u merilendskom eksperimentu sa jonima iterbijuma.

„Ovo se sve dosta prirodno nadovezuje na to što oni rade“, kaže Najak. „Kvantni računari trebalo bi da obavljaju veliki broj operacija na nekoj vrsti satnog ciklusa, periodično, pa bi bilo od koristi da znamo kako se topološke faze ponašaju u periodičnim sistemima.“

„Ispostavilo se da su brojne ideje i matematičke metode razvijene zbog kvantnih kompjutera bile direktno primenjive na ovaj projekat i omogućile nam da dođemo do vremenskih kristala,“ kaže Najak.

Pa ipak, dodaje on, sav rad Station Q je još uvek u velikoj meri teorijski. Proći će dugo vremena pre nego što se dođe do bilo kakve praktične primene vremenskih kristala.

„Naša grupa uglavnom istražuje nove ideje u fizici u nadi da ćemo tako doći do neke primene na kvantni inženjering kojim se inače bavimo,“ kaže Najak. „Sad kad znamo šta su vremenski kristali, razvijamo ideje za njihovu primenu na koncept topoloških kvantnih kompjutera, ali to je sve još u povoju.“

Dakle, čak i fizičari direktno umešani u stvaranje vremenskih kristala još nisu sposobni da nam kažu kako bi ovo novo fazno stanje materije jednog dana moglo da se primeni. Onda nema nade za nas laike koji tek pokušavamo da shvatimo šta su sad pa ti vremenski kristali. Iako nimalo stručan za ovu apsurdno složenu tematiku, pokušao sam da je predstavim što sam bolje mogao. Možda vam ništa nije jasnije nego što je bilo, nisam siguran ni koliko je meni jasno, ali dobro – nije da nismo ni pokušali.

Ilustracija: Ben Ruby

Još na VICE.com

Zemlju skoro da je zveknuo asteroid a da to niko nije provalio

Novoj teoriji gravitacije ne treba tamna materija

Nemačka naučnica iscrtava digitalni atlas ljudskog mozga

Pratite VICE na Facebooku, Twitteru i Instagramu