Pracujący na MIT Frank Wilczek, który jest laureatem Nagrody Nobla z dziedziny fizyki z 2012 roku, zaproponował parę lat temu istnienie "kryształów czasu" - obiektów, których struktura będzie się okresowo powtarzać - tak jak w zwykłym krysztale - lecz w czasie, nie przestrzeni, dzięki czemu otrzymalibyśmy perpetuum mobile. Teraz inni fizycy potwierdzili, że takie coś może w ogóle istnieć.

Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara oraz z Microsoft Station Q dowiedli, że możliwe jest spontaniczne złamanie symetrii translacji w czasie, co oznacza, że "kryształy czasu" są fizycznie możliwe, tyle w skrócie. A o co tak właściwie chodzi?

Wilczek, który w 2004 roku zdobył nagrodę Nobla z dziedziny fizyki za pracę wykonaną wspólnie z H. Davidem Politzerem i Davidem Grossem dotyczącą asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań między cząstkami elementarnymi, ma kilka nowych pomysłów dotyczących samej natury czasu i przestrzeni.

Jego zdaniem materia może uformować "kryształ czasu" - którego struktura będzie się okresowo powtarzać - tak jak w zwykłym krysztale - lecz w czasie, nie przestrzeni. Kryształ taki mógłby być nowym, nieznanym nam wcześniej stanem skupienia materii, który może wyjaśniać część zjawisk kosmologicznych.

Płyny lub gazy w stanie równowagi, składające się z równo rozłożonych cząstek zachowują idealną symetrię przestrzenną. Jednak przy bardzo niskich energiach nie potrafią one zachować tej symetrii i krystalizują się. Ponieważ kryształy nie zachowują idealnej symetrii - fizycy mówią, że zachodzi w nich spontaniczne złamanie symetrii (zjawisko to zachodzi gdy stan podstawowy układu fizycznego ma niższą symetrię niż symetria układu fizycznego).

Wilczek zaczął się zastanawiać czy ideę trójwymiarowego kryształu można rozszerzyć o jeszcze jeden wymiar - czas. Taki "kryształ czasu" mógłby spontanicznie łamać podstawową symetrię - symetrię translacji w czasie - która utrzymuje wszystkie prawa fizyki w mocy, niezależnie od czasu, i z której wynika zasada zachowania energii zarówno w mechanice klasycznej jak i kwantowej.

"Kryształ czasu" zmieniałby się wraz z upływem czasu, jednak zawsze wracałby do początkowego stanu - podobnie jak wskazówki zegara. Od zegara jednak różnić ma go to, że ma się on znajdować w najniższym stanie energetycznym. I tu pojawia się pozorna sprzeczność. Aby bowiem łamać symetrię translacji czasu kryształ taki musiałby być w ruchu, jednak układ w najniższym stanie energetycznym generalnie nie może się ruszać (gdyby się ruszał - można by wyciągnąć z niego energię, aż osiągnąłby prawdziwy najniższy stan energetyczny - bezruchu).

W zasadzie kryształ taki wyglądać ma tak, że rozmieszczone w okrężnej strukturze, uporządkowane atomy poruszałyby się wokół jednego punktu w równych odstępach czasu.

Razem ze swoim kolegą Alfredem Shapere z Uniwersytetu Kentucky udowodnił on, że materiał może mieć zerową energię i jednocześnie być w ruchu, poprzez ponowne sformułowanie definicji energii kinetycznej - na inny, równoznaczny wzór, choć zależny od prędkości w inny sposób.

Raz wprawiony w ruch - "kryształ czasu" mógłby poruszać się bez końca bez dopływu żadnej energii z zewnątrz. Jednocześnie nie łamałby on żadnych praw fizyki - ponieważ bez dodania energii z zewnątrz nie można by z niego wyciągnąć żadnej energii.

Póki co wiemy tylko, że spontaniczne złamanie symetrii translacji czasu jest możliwe w kwantowych układach, co potwierdziły matematyczne symulacje. A ich autorzy twierdzą, że powinno udać się przeprowadzić eksperyment, w którym uda się sztucznie stworzyć model kryształu czasu z uchwyconych atomów, jonów lub kubitów, co pozwoli zbadać jego wszystkie właściwości.

Źródło: Floquet Time Crystals, Zdj.: CC0