Rutin masa, atau ketika fizik lebih baik daripada fiksyen

Rutin masa, atau ketika fizik lebih baik daripada fiksyen

Anya Grushina
"Sains dan Kehidupan" №6, 2017

Temporal, atau temporalse, kristal – idea baru dalam fizik, dibincangkan secara meluas pada tahun-tahun kebelakangan ini. Mereka adalah sistem fizikal, "dalam diri mereka" mengulangi dalam masa. Walaupun terdapat konsep eksotik, para penyelidik telah mempertimbangkan bidang pemakaian idea yang mungkin dan mencari "resepi" yang paling berjaya untuk penyediaan "masa kristal".

Keindahan undang-undang alam bersatu dengan simetri. Sebenarnya, simetri dalam fizik membayangkan bahawa harta tertentu tetap tidak berubah di bawah perubahan tertentu: ia boleh menjadi putaran atau perubahan dalam ruang, imej cermin. Ringkasnya, tidak kira betapa sejuk objek atau alam semesta, undang-undang fizik tidak berubah. Simetri boleh berterusan dan diskret. Sebagai contoh, bola seragam boleh diputar ke sudut mana-mana – tiada apa yang akan berubah. Tetapi kiub "mengulanginya sendiri" hanya apabila beralih pada sudut tertentu. Ini adalah contoh simetri putaran berterusan dan diskret.

Fizik yang menarik bermula di mana perubahan simetri, atau sebaliknya, ia pecah. Sebagai contoh, kristal kurang simetri daripada cecair homogen yang terdiri daripada atom yang sama, jadi ia boleh dianggap sebagai pelanggaran simetri spatial.Atom-atom di dalamnya berada di simpul kisi kristal yang disebut dengan jarak dan sudut yang jelas. Untuk mendapatkan kristal yang sama apabila bergerak di ruang angkasa, ia mesti dialihkan dengan jarak yang jelas (konstanta kisi yang dipanggil – saiz sel unit, dengan mengulangi yang anda boleh menghasilkan semula seluruh kristal) atau menghidupkannya ke sudut yang sesuai. Ciri-ciri khusus kristal secara langsung bergantung kepada bagaimana tepatnya simetri dipecahkan: jumlah elektron pada cangkang luar atom, momen magnetik, suhu – semua ini mempengaruhi interaksi antara atom dan akhirnya menentukan sifat-sifat bahan. Fizik telah lama mempelajari kristal dan juga belajar bagaimana untuk membuat sistem serupa menggunakan laser atau gelombang mikro, di mana bukan sahaja atom dan elektron boleh memainkan peranan laman kisi, tetapi juga foton atau quasipartikel, seperti fonon. Simetri sederhana juga dilanggar oleh magnetisasi dan aliran arus elektrik.

Frank Wilczek, pemenang Hadiah Nobel pada tahun 2004 dan pengarang konsep kristal sementara. Foto: Kenneth C. Zirkel / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Tetapi pelanggaran masa yang diskretkira-kirath, atau temporal, simetri (aliran masa yang berterusan hanya ke hadapan) – sejauh ini wilayah belum dijelajahi. Frank Wilczek, pemenang Hadiah Nobel 2004 untuk menggambarkan interaksi antara kuark dan gluon, pada tahun 2012 mula merenungkan mengapa simetri temporal tidak pernah pecah secara spontan (iaitu, disebabkan oleh interaksi rawak antara elemen sistem) dan adakah ia benar-benar membuat di mana ini mungkin. Hasilnya, dia mencipta kristal temporal sebagai cara untuk memecahkan masa simetri.

Kristal temporal adalah struktur hipotesis yang berdenyut tanpa tenaga, seperti jam mekanikal yang tidak memerlukan tumbuhan. Urutan ini diulang dalam masa, kerana atom kristal diulangi dalam ruang. Pada pandangan pertama, sebuah kristal temporal lebih mengingatkan fantasi Dunia Fantasi Kristal Vladislav Krapivin daripada fizik yang ketat, tetapi struktur seperti itu boleh mempunyai alasan fizikal yang baik untuk kewujudan.

Salah satu kemungkinan realisasi kristal temporal adalah cincin atom yang mesti berputar, secara tetap kembali ke keadaan asalnya.Sifat-sifatnya akan disegerakkan selamanya dalam masa, dengan cara yang sama seperti kedudukan atom dalam kristal adalah saling berkaitan. Menurut definisi kristal temporal, sistem sedemikian mestilah berada dalam keadaan dengan tenaga yang paling rendah sehingga gerakan tidak memerlukan tenaga dari luar. Dalam erti kata, kristal temporal akan menjadi mesin pergerakan kekal, kecuali bahawa ia tidak akan melakukan apa-apa kerja yang berguna.

Masyarakat saintifik untuk sebahagian besar menganggap idea itu provokatif. Walau bagaimanapun, Frank Wilczek berdiri, yakin bahawa masalah itu lebih licik berbanding sepintas lalu, dan kristal temporal itu adalah jenis pesanan baru. Selain itu, gerakan kekal mempunyai duluan di dunia kuantum: secara teori, superkonduktor menjalankan arus elektrik selamanya (walaupun aliran dalam kes ini homogen dan, dengan itu, tidak berubah dengan masa).

Paradoks kristal temporal yang berminat Haruki Watanabe, seorang pelajar siswazah di University of California di Berkeley. Apabila dia mempersembahkan karyanya pada pemecahan simetri di ruang angkasa, dia ditanyai tentang akibat dari idea Wilczek tentang kristal temporal.Watanabe tidak dapat menjawab dan memutuskan untuk menyusun isu ini, memberi tumpuan kepada korelasi antara bahagian jauh sistem pada masa dan di ruang angkasa. Pada tahun 2015, bersama ahli fizikal Masaki Oshikawa dari University of Tokyo Watanabe, beliau membuktikan teorem mengikut mana penciptaan kristal temporal dalam keadaan dengan tenaga terendah adalah mustahil. Mereka juga membuktikan bahawa kristal-kristal temporal adalah mustahil untuk mana-mana sistem keseimbangan yang telah mencapai keadaan mantap pada sebarang nilai tenaga.

Pada masa ini, masyarakat fizikal menganggap persoalan kewujudan kristal temporal ditutup. Walau bagaimanapun, keterangan itu meninggalkan kelemahan. Ia tidak mengecualikan kemungkinan kewujudan kristal temporal dalam sistem di mana keseimbangan belum ditubuhkan. Dan para ahli teori di seluruh dunia telah mula berfikir tentang bagaimana versi alternatif kristal temporal boleh dibuat untuk memintas teorem.

Penemuan ini tidak disangka-sangka datang dari bidang fizik, di mana penyelidik tidak berfikir tentang topik ini. Teoror Shivaji Sondi dan rakan-rakannya di Princeton University mengkaji tingkah laku sistem kuantum terasing yang terdiri daripada "sup" zarah-zarah yang berinteraksi, yang mereka kerap "bertenaga" ditendang.Sekiranya anda mempercayai buku teks, maka sistem semacam itu perlu dipanaskan dan akhirnya menjadi sepenuhnya huru-hara. Tetapi kumpulan Sondi menunjukkan bahawa dalam keadaan tertentu, zarah-zarah dikumpulkan bersama dan membentuk "corak" yang berulang dalam masa.

Kajian ini menarik perhatian Chetan Nayak, salah seorang bekas pelajar Wilczek. Nayak dan rakan-rakannya mencadangkan bahawa bentuk bahan bukan keseimbangan yang aneh boleh menjadi sejenis kristal temporal, walaupun tidak semestinya Wilczek pada mulanya bercakap tentang. Perbezaannya adalah bahawa sistem sedemikian tidak dalam keadaan dengan tenaga yang paling rendah dan ia perlu diberi tenaga dari luar untuk mengekalkan denyutan. Tetapi seperti "sup" mempunyai irama sendiri, berbeza dengan kekerapan pam, yang sebenarnya bermaksud pelanggaran masa simetri.

Chris Monroe, pengarang salah satu eksperimen untuk menghasilkan kristal temporal di makmal. Foto: Marym1234 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0

Christopher Monroe dari University of Maryland di College Park, walaupun ragu-ragu, cuba mencipta kristal temporal yang sama menggunakan atom sejuk. "Resipi" rumit mengandungi tiga ramuan utama: daya yang mempengaruhi sistem, interaksi antara atom dan unsur gangguan rawak.Kombinasi ini mengehadkan zarah-zarah dalam jumlah tenaga yang mereka dapat menyerap, membolehkan mereka tetap berada dalam keadaan teratur.

Dalam eksperimen ini, rantai sepuluh ion ytterbium telah diterangi secara bergantian dengan dua laser. Laser pertama membalikkan momentum magnet atom, dan yang kedua memaksa mereka untuk berinteraksi dengan satu sama lain secara rawak. Ini membawa kepada turun naik dalam unjuran momen magnetik sistem dengan tempoh dua kali sepanjang tempoh pam spin laser. Lebih-lebih lagi, walaupun laser pertama melepaskan frekuensi radiasi yang diperlukan, ayunan dalam sistem tidak berubah. Sama seperti kristal biasa menentang percubaan untuk memindahkan atom dari kedudukan mereka dalam kekisi kristal, maka kristal temporal mengekalkan tempohnya dalam masa yang singkat.

"Resipi" dari kristal temporal dari eksperimen Christopher Monroe: radiasi laser yang ditunjukkan oren dananak panah hijau, membatalkan momen magnet (belakang); cahaya laser ditunjukkan anak panah merahmembuat keadaan huru-hara dan menyebabkan interaksi antara putaran. Akibatnya, sistem berputar berayun di antara dua keadaan stabil yang tahan terhadap perubahan frekuensi pam

Sekumpulan ahli fizik dari Universiti Harvard di bawah kepimpinan Mikhail Lukin (yang juga pengasas Rusia Pusat Kuantum) pergi dengan cara lain dan melaksanakan kristal temporal menggunakan berlian. Untuk ini, satu sampel khas telah disintesis, yang mengandungi kira-kira satu juta kecacatan bercelaru, masing-masing mempunyai momen magnetik sendiri. Apabila kristal sedemikian tertakluk kepada pulangan radiasi gelombang mikro untuk berputar, spesis fizik mencatatkan respon sistem pada frekuensi yang hanya sebahagian kecil daripada kekerapan sinaran yang menarik.

Ahli fizik teori Norman Yao, yang mengambil bahagian dalam kedua-dua eksperimen itu, menekankan bahawa sistem dalam keadaan dengan tenaga terendah, mengikut definisi, tidak boleh berubah dari masa ke masa. Jika tidak, ia bermakna bahawa mereka mempunyai tenaga tambahan yang boleh dibelanjakan, dan akhirnya pergerakan mesti berhenti. Yao membandingkan hasil eksperimen dengan tali: tangan membuat dua putaran, dan tali hanya satu, dan ini adalah pelanggaran simetri yang lebih lemah daripada yang awalnya diilhamkan oleh Wilczek, yang percaya bahawa tali itu dapat berfluktuasi dengan sendirinya.

Hasil kedua-dua eksperimen telah diterbitkan dalam jurnal. Alam dan, tentu saja, menarik, tetapi definisi kristal temporal boleh dianggap agak jauh di dalam kedua-dua kes. Ahli fizikal bersetuju bahawa kedua-dua sistem dalam sesetengah cara secara spontan memecahkan simetri temporal dan oleh itu memenuhi keperluan kristal temporal dari sudut pandang matematik. Tetapi bolehkah mereka benar-benar dipertimbangkan sedemikian – subjek perbincangan saintifik.

Mikhail Lukin adalah pengarang salah satu percubaan pada penciptaan kristal temporal dan pengasas bersama Pusat Kuantum Rusia. Foto Angelica Kubryak

Kristal masa telah berubah di Monroe dan Lukin atau tidak, masa akan memberitahu. Dalam mana-mana kes, eksperimen ini menarik kerana buat kali pertama, contoh-contoh paling mudah bagi fasa-fasa baru perkara telah ditunjukkan di rantau yang tidak diterokai oleh keadaan tidak seimbang. Keadaan baru ini terdiri daripada sekumpulan zarah kuantum, yang sentiasa berubah, tidak mencapai keadaan stabil. Kestabilan dicapai melalui interaksi rawak yang akan mengganggu keseimbangan dalam sebarang bentuk materi lain.

Selain itu, hasil ini mungkin bernilai praktikal.Kristal temporal boleh digunakan sebagai sensor super tepat. Tingkah laku momen magnetik kecacatan berlian telah digunakan untuk mendaftarkan perubahan sedikit dalam medan suhu dan magnet. Tetapi pendekatan ini mempunyai batasan: apabila terlalu banyak cacat "kerumunan" dalam jumlah kecil, interaksi di antara mereka memusnahkan negara-negara kuantum. Dalam kristal sementara, interaksi, sebaliknya, menstabilkan sistem, jadi berjuta-juta cacat boleh digunakan bersama-sama untuk meningkatkan isyarat. Ini akan membolehkan untuk menyiasat, terutamanya, sel hidup dan bahan ketebalan atom.

Contoh lain penggunaan sistem sedemikian adalah pengkomputeran kuantum pada suhu yang cukup tinggi. Komputer kuantum adalah teknologi yang menjanjikan dan lama ditunggu-tunggu yang masih jauh dari pelaksanaan praktikal. Hakikatnya ialah bit kuantum yang rapuh yang membuat pengiraan perlu diasingkan dari kesan gerakan haba dan "kesan sampingan" lain persekitaran yang memusnahkan keadaan kuantum, dan pada masa yang sama dapat mengekod dan membaca maklumat dari mereka. Fizik menggunakan suhu yang sangat rendah untuk ini, hanya nanogradusy di atas sifar mutlak.Kristal temporal adalah intinya sistem kuantum yang wujud pada suhu yang lebih tinggi. Dalam hal berlian Lukin, biasanya pada suhu bilik.

Dalam temubual "Kuantum Kedua: Dari Revolusi Pemahaman kepada Revolusi Aplikasi," yang boleh didapati dalam Sains dan Kehidupan No. 12 untuk 2013, Mikhail Lukin bercakap mengenai "kesan sampingan praktikal" yang tidak dijangka pada pandangan pertama sebagai sains yang benar-benar asas. Dan ada kemungkinan bahawa konsep kristal temporal yang hebat akan membuka jalan kepada pengkomputeran kuantum tanpa memerlukan kriogenik kompleks dan mahal.


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: