دانشمندان حالت جدیدی از ماده را یافته اند که به زمان بستگی دارد

بلورها جامداتی هستند که ذرات سازنده آنها (اتم ها، مولکول ها و یون ها) با نظم و الگوی خاصی در کنار هم قرار گرفته اند و این الگو در فضا تکرار می شود. حال فرض کنید این ساختار علاوه بر تکرار در فضا، در زمان هم تکرار شود؛ برای نمونه بلور بعد از گذشت 10 ثانیه بدون اثر گرفتن از هیچ نیروی خارجی از شکل اولیه اش خارج شود، حالتی کشیده و تخم مرغی شکل پیدا کند و 10 ثانیه بعد، دوباره به همان شکل اولیه اش باز گردد.

به گزارش پورتال یو سی (شما می توانید)، این بلور حالا به زمان بستگی دارد و عملاً بلوری چهار بعدی است؛ شکل عجیب و غریبی از ماده که در هیچکدام از دسته بندی های قبلی ماده یعنی جامد، مایع، گاز، پلاسما، چگالش بوز – اینشتین نمی گنجد و دانشمندان آن را به عنوان فاز جدیدی از ماده و با نام بلور زمان (Time Crystals) معرفی کرده اند.

وجود این ماده جدید ابتدا از سوی فیزیکدانان انکار می شد، چرا که با تعدادی از قوانین پایه و بنیادین فیزیک همخوانی نداشت؛ اما سال 2017، دو گروه مستقل از دانشمندان با انجام آزمایش هایی متفاوت موفق به تولید این بلورها شدند. حالا این شکل جدید ماده قرار است به کمک مهندسان کامپیوتر بیاید و ساخت کامپیوترهای کوانتومی را محقق کند.

ایده اصلی بلورهای زمان را فیزیکدان آمریکایی فرانک ویلچک (Frank Wilczek) بر مبنای بلورهای معمولی مانند نمک و یخ مطرح کرد. بلورها در مقیاس اتمی برای فیزیکدان ها جذاب هستند، چرا که تقارن فضایی را برهم می زنند. برای درک بهتر تقارن فضایی، ظرفی از یک نوع مایع (برای نمونه آب) را تصور کنید. آب داخل ظرف کاملاً همگن و یکنواخت است؛ یعنی از هر نقطه ظرف که نمونه بردارید، الگوی ساختاری یکسانی دارد. حال اگر این آب منجمد و تبدیل به بلور یخ شود، ساختار مولکول ها تغییر می کند و به واحدهایی ثابت با الگوهایی تکرار شونده تبدیل می شوند؛ بطوریکه تقارن فضایی به هم می خورد و دو نمونه تصادفی از یخ، الگوهای ساختاری متفاوتی نشان خواهند داد.

در واقع تفاوت آن مانند جدا کردن قسمتی از یک فرش بدون طرح و ساده و فرشی طرح دار است. برای فرش ساده مهم نیست قیچی را کجا بگذاریم؛ هر دو تکه دلخواه کاملاً مشابه و یکسان خواهند بود، اما وقتی دو تکه از فرش طرح دار را جدا می کنیم، احتمال اینکه دو تکه کاملاً یکسان باشد، بسیار کم است.

ویلچک در سال 2012 روی بلورها مطالعه می کرد که به این ایده رسید: «آیا ممکن است موادی وجود داشته باشند که نه تنها مانند بلورها در فضا نامتقارن باشند، بلکه در زمان هم نامتقارن باشند؟» به بیان دیگر، آیا موادی وجود دارند که بدون صرف و تبادل انرژی با محیط اطراف تغییر شکل دهند؟ اگر به مثال فرش برگردیم، این بار برای جدا کردن تکه های مشابه در فرش طرح دار علاوه بر اینکه اهمیت دارد که کدام تکه را قیچی کنیم، باید توجه کنیم که چه زمانی آنها را جدا می کنیم.

ایده ویلچک همزمان اشتیاق و خشم فیزیکدانان را برانگیخت. او وجود ذراتی را پیش بینی کرده بود که با گذر زمان به خودی خود تغییر می کنند و با این کار دو قانون بنیادی فیزیک را زیر پا می گذاشتند؛ قانون پایستگی تکانه و انرژی.

از انکار نظری تا اثبات تجربی

سال 2015 دو دانشمند از دانشگاه های توکیو و کالیفرنیا، اثبات کردند که در حالت تعادل گرمایی، وجود بلورهای زمان غیر ممکن است. زمانی که یک جسم در تعادل گرمایی است با محیط تبادل گرما ندارد؛ یعنی نه گرما از محیط می گیرد و نه از دست می دهد. از آنجا که در فیزیک، گرما معیاری برای اندازه گیری انرژی جنبشی ذرات است، آنها به این نتیجه رسیدند که بلورهای زمان تنها در صورتی می توانند تغییر شکل دهند و حرکت کنند که نیرویی خارجی به آنها وارد شود و این با اساس ایده ویلچک که حرکت خودبخودی بلورها بود، تناقض داشت.

اما عده ای دیگر از فیزیکدانان تسلیم نشدند. اگر بلورهای زمان نمی توانستند در شرایط تعادل حرارتی وجود داشته باشند، شاید می شد آنها را در شرایطی غیر تعادلی ایجاد کرد. در سال های اخیر، فیزیکدانان کوانتومی پدیده ای به نام بومی سازی چند پیکره ای (Many-body localization) را مطالعه کرده اند. این پدیده هنگامی رخ می دهد که اتم ها در شرایط تعادلی نباشند، در این حالت اتم ها بطور نامشهودی با هم ارتباط دارند و روی هم اثر می گذارند.

در همان سال، محققانی از دانشگاه پرینستون اثبات کردند اگر بلورهای زمان در بازه های معینی حرکت کنند و تغییر شکل دهند، می توانند از طریق بومی سازی چند پیکره ای روی هم اثر بگذارند. در واقع نکته ایده جدید همین بود: «اتم ها خودبخودی حرکت نمی کردند، چرا که قوانین بنیادی فیزیک را نقض می کردند؛ نیروی بیرونی هم باعث حرکت آنها نمی شد، بلکه خودشان باعث حرکت یکدیگر می شدند.»

حال نوبت فیزیکدانان تجربی بود تا این ایده را در آزمایشگاه بررسی کنند. سال 2017 دو گروه از دانشگاه های مریلند و هاروارد بطور جداگانه و با روش های متفاوتی این ایده را آزمایش کردند.

در مریلند، دانشمندان با استفاده از لیزر، دسته ای از یون های ایتربیم (Yb، از دسته لانتانیدها) را به حرکت واداشتند و باعث شدند جهت میدان مغناطیسی آنها بطور مداوم تغییر کند. نکته قابل توجه در این تغییرات آن بود که جهت میدان های مغناطیسی با فرکانس خاص و ثابتی تغییر می کرد؛ حتی وقتی فرکانس لیزر را تغییر دادند، یون های ایتربیم با همان آهنگ و فرکانس قبلی تغییر جهت می دادند، به گونه ای که انگار این فرکانس یکی از ویژگی های ذاتی و منحصر به فرد این ذرات (مانند جرم، بار الکتریکی و…) بود.

در هاروارد، پژوهشگران از ریزموج ها (امواج مایکرویو) برای حرکت دادن ریزذرات داخل یک قطعه الماس استفاده کردند. ذرات داخل الماس هم در بازه های زمانی دقیق و منظم مانند آزمایش مریلند تغییر جهت می دادند.

بلورهای زمان و کامپیوترهای کوانتومی

حالا وجود بلورهای زمان در آزمایشگاه اثبات شده است. دانشمندان برای اولین بار به ماده ای دست یافته اند که قابلیت شکل دهی و تغییر خودش را در بُعد زمان دارد. آنها باور دارند که این بلورها، چرخ دنده های جهان هستند که تنها به یک محرک خارجی نیاز دارند تا راه بیفتند و بعد از آن به کمک ساختار درونی شان تا ابد حرکت کنند و تغییر شکل دهند. این پدیده ی شگفت انگیز می تواند تحولات مهمی در حوزه های مختلف ایجاد کند.

یکی از این حوزه ها، رایانش کوانتومی است. در کامپیوترهای کوانتومی، بیت های کوانتومی (کیوبیت) جایگزین بیت های الکترونیکی 0 یا 1 در ترانزیستورها می شوند. تغییرات منظم و دائمی میدان های مغناطیسی در بلورهای زمان که بالا یا پایین هستند، می توانند جایگزین روشن – خاموش شدن ترانزیستورها شوند و به لطف حرکت دائمی و بدون مصرف انرژی، صرفه جویی عظیمی را در مصرف انرژی کامپیوتر کوانتومی رقم بزنند. همچنین این بلورها بسیار کوچکتر از ترانزیستورها هستند، بنابراین می توان کامپیوترهایی با قدرت محاسباتی بیشتر را در فضایی به مراتب کمتر احداث کرد. از دیگر فایده های استفاده از بلورهای زمان، قابلیت آنها در حفظ آهنگ تغییرات شان است؛ یعنی محرک های خارجی مانند پرتوهای لیزر و امواج الکترومغناطیسی روی حرکت و تغییرات آنها اثر نمی گذارد و همین، باعث می شود که آنها انتخاب مناسبی برای کیوبیت های کامپیوترهای کوانتومی باشند.

کریستوفر مونرو (Christopher Monroe) یکی از محققان پروژه بلورهای زمان در دانشگاه مریلند می گوید: «بلورهای زمان و کاربردهای آنها ممکن است شروع حوزه ای کاملاً جدید در فیزیک باشد. بلورهای زمان هم مانند بلورهای سه بعدی معمولی نمک، در طبیعت حضور دارند و مشغول حرکت و تغییر هستند.» در واقع ممکن است جهان اطراف ما پُر از این بلورهای چهار بعدی باشد که تا چند سال پیش هیچکس از وجود آنها خبر نداشت.

منابع

خبر علمی «دانشمندان حالت جدیدی از ماده را یافته اند که به زمان بستگی دارد» توسط هیئت تحریریه خبر پورتال یو سی (شما می توانید) با استناد به ScienceDaily، ترجمه، تدوین و نگارش شده است.