"การแปล": สถานะใหม่ของสสาร คริสตัลเวลาคืออะไร? "Time Crystals" สามารถปฏิวัติความคิดเห็นทางฟิสิกส์เชิงทฤษฎีโดย Hypersonguy

Chris Monroe ทำงานร่วมกับกับดักไอออนที่มีการออกแบบคล้ายกัน (ที่มา: Hartmut Häffner)

ในปี 2555 ผู้ได้รับรางวัล รางวัลโนเบลในวิชาฟิสิกส์ Frank Wilczek เสนอแนวคิดที่ไม่ธรรมดา เขาแนะนำ (และพยายามพิสูจน์) ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของ "ผลึกแห่งเวลา" ตามที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ โครงสร้างดังกล่าวได้รับพลังงานสำหรับการเคลื่อนที่จากความผิดพลาดในสมมาตรของเวลา ตามที่ Vilcek กล่าวไว้ ความผิดดังกล่าวเป็นรูปแบบพิเศษของการเคลื่อนไหวตลอดกาล

ตัวคริสตัลเองก็มีโครงสร้างที่แปลกตามาก เช่น คริสตัล (อันนั้น. เซลล์คริสตัลซึ่งไม่มี - ลูกบาศก์ - สมมาตรสูงกว่า) คุณสมบัติของแอนไอโซโทรปีนั้นมีอยู่จริง Anisotropy ของคริสตัลคือความหลากหลาย คุณสมบัติทางกายภาพ(ยืดหยุ่น เครื่องกล ความร้อน ไฟฟ้า แม่เหล็ก ออปติคัล และอื่นๆ) ในทิศทางต่างๆ

นักฟิสิกส์สมัยใหม่ไม่เพียงสนใจในเรื่องแอนไอโซโทรปีของคริสตัลเท่านั้น แต่ยังสนใจในเรื่องความสมมาตรด้วย ในด้านความสมมาตรนั้น ไม่เพียงแสดงให้เห็นในโครงสร้างและคุณสมบัติในพื้นที่สามมิติจริงเท่านั้น แต่ยังอธิบายสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนในคริสตัลด้วย การวิเคราะห์กระบวนการของการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ การเลี้ยวเบนของนิวตรอน และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในผลึก การใช้พื้นที่ซึ่งกันและกัน เป็นต้น ในส่วนของ “ผลึกแห่งกาลเวลา” นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอแนะว่าผลึกมีความสมมาตรกันในเรื่องของเวลา

วิลเชคพูดถึงเรื่องนี้ ปรากฏการณ์ที่เป็นไปได้ย้อนกลับไปในปี 2010: “ฉันเอาแต่คิดถึงการจำแนกประเภทของคริสตัล และจากนั้นฉันก็คิดว่ากาลอวกาศก็สามารถเป็นตัวแทนได้จากมุมมองนี้เช่นกัน นั่นคือถ้าเราคิดถึงคริสตัลในอวกาศ มันก็สมเหตุสมผลที่จะจินตนาการถึงโครงสร้างคริสตัลตามเวลา” ในผลึก อะตอมจะมีตำแหน่งที่มั่นคงในโครงตาข่าย และเนื่องจากวัตถุที่มีความเสถียรจะยังคงเหมือนเดิมเมื่อเวลาผ่านไป จึงมีความเป็นไปได้ที่อะตอมจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายที่ซ้ำกันอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขากลับสู่ตำแหน่งเดิมหลังจากช่วงเวลาห่างกัน ทำลายความสมมาตรของเวลา หากคริสตัลไม่กินหรือผลิตพลังงาน แสดงว่าผลึกชั่วคราวดังกล่าวมีความเสถียร โดยอยู่ใน "สถานะพื้นดิน" ในเวลาเดียวกันการเปลี่ยนแปลงแบบวงกลมเกิดขึ้นในโครงสร้างของคริสตัลซึ่งจากมุมมองของฟิสิกส์ถือได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวตลอดกาล

นักฟิสิกส์หลายคนมีข้อสงสัยเกี่ยวกับความถูกต้องของสมมติฐานความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของผลึกเวลา แต่นักวิทยาศาสตร์เหล่านั้นที่ยอมรับมันเริ่มมองหาวิธีทดสอบความถูกต้องของสมมติฐานของ Vilczek และพวกเขาก็พบมัน

Chris Monroe จากมหาวิทยาลัยแมริแลนด์ คอลเลจพาร์ค สามารถสร้างคริสตัลแห่งเวลาได้เป็นครั้งแรกในห้องทดลองของเขา ความคิดของเขาคือการสร้างระบบควอนตัมในรูปแบบของกลุ่มไอออนที่จัดเรียงเป็นวงแหวน เมื่อวงแหวนเย็นลง ดังที่มอนโร (และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ก่อนหน้าเขา) โต้แย้ง สถานะพลังงานของทั้งระบบจะลดลงสู่ระดับต่ำสุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว ระบบจะเข้าสู่ระยะ "สถานะภาคพื้นดิน" หากความสมมาตรของเวลาเสีย วงแหวนก็ควรจะเปลี่ยนเมื่อเวลาผ่านไป กล่าวอีกนัยหนึ่งคือหมุน แน่นอนว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะดึงพลังงานจากการเคลื่อนไหวนี้ออกมา เนื่องจากสิ่งนี้ขัดแย้งกับกฎการอนุรักษ์พลังงาน

นี่คือทฤษฎีทั้งหมด ในทางปฏิบัติการนำแนวคิดนี้ไปใช้เป็นเรื่องยากยิ่งขึ้น นักวิทยาศาสตร์ของเบิร์กลีย์ได้ประกาศความตั้งใจที่จะสร้างวงแหวนไอออนและทดสอบความถูกต้องของสมมติฐานเวลาคริสตัลเมื่อหลายปีก่อน พวกเขาวางแผนที่จะฉีดแคลเซียมไอออนหลายร้อยตัวเข้าไปในห้องขนาดเล็ก ห้องนี้ต้องล้อมรอบด้วยอิเล็กโทรดและต้องเปิดกระแสไฟ สนามไฟฟ้าที่เกิดขึ้นจะทำให้ไอออนถูกผลักเข้าไปในห้องที่มีความหนาประมาณ 100 ไมครอน หลังจากนั้นจึงจำเป็นต้อง "ปรับเทียบ" อนุภาคเพื่อปรับระดับสนาม ไอออนที่ผลักกันจะก่อตัวเป็นวงแหวนคริสตัลซึ่งกระจายเท่าๆ กันตามขอบด้านนอกของห้อง

สันนิษฐานว่าไอออนในกับดักดังกล่าวจะอยู่ในสถานะตื่นเต้น แต่ด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์พวกมัน พลังงานจลน์จะค่อยๆตัดกลับ ตามแผน อุณหภูมิของระบบจะต้องอยู่ที่ 1 พันล้านองศาเหนือศูนย์ หลังจากที่ระบบเข้าสู่สถานะพื้น นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะเปิดสนามแม่เหล็กคงที่ หากสมมติฐานของผลึกเวลาถูกต้อง สนามนี้น่าจะทำให้ไอออนหมุนได้ หลังจากที่ไอออนกลับสู่จุดเริ่มต้นภายในระยะเวลาหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์จะบันทึกการละเมิดสมมาตรทางโลก

มอนโรใช้เส้นทางที่คล้ายกัน เพียงเพื่อสร้างวงแหวนเขาใช้อิตเทอร์เบียมไอออนแทนโพแทสเซียมไอออน ความยากในการนำแนวคิดนี้ไปใช้ก็คือ ไม่สามารถคาดเดาการมีอยู่ของอนุภาค ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง ณ สถานที่ใดสถานที่หนึ่งได้ จริงด้วยการแปลแบบ Anderson ทำให้มีข้อยกเว้นสำหรับกฎนี้ที่สามารถใช้ได้ การแปลแบบแอนเดอร์สันเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นเมื่อคลื่นแพร่กระจายในตัวกลางที่มีความไม่สม่ำเสมอเชิงพื้นที่ และประกอบด้วยความจริงที่ว่าเนื่องจากการกระเจิงหลายครั้งบนความไม่เป็นเนื้อเดียวกันและการรบกวนของคลื่นที่กระจัดกระจาย การแพร่กระจายของคลื่นเคลื่อนที่จึงเป็นไปไม่ได้ การสั่นจะได้ลักษณะของคลื่นนิ่งซึ่งมีความเข้มข้น (แปลเป็นภาษาท้องถิ่น) ในพื้นที่จำกัด

เมื่อเร็วๆ นี้ นักฟิสิกส์ได้ศึกษากลุ่มของอนุภาคควอนตัมที่มีปฏิสัมพันธ์กันในลักษณะที่ปฏิสัมพันธ์นี้บังคับให้อนุภาคควอนตัมระบุตำแหน่ง มอนโรสามารถใช้ผลการวิจัยนี้เพื่อบังคับไอออนอิตเทอร์เบียมให้อยู่ในตำแหน่งเฉพาะในเวลาที่กำหนด ผลก็คือ ผลึกแห่งเวลาถูกสร้างขึ้น และทีมงานของมอนโรได้พิสูจน์ความเป็นไปได้ในการทำลายความสมมาตรของเวลา เมื่อศึกษาคุณสมบัติของผลึกชั่วคราว ปรากฎว่าการเปลี่ยนแปลงความถี่ในการกระตุ้นไอออนอย่างมีนัยสำคัญทำให้คริสตัล "ละลาย" ตามที่นักวิทยาศาสตร์กล่าวไว้ การสร้างคริสตัลชั่วคราวเปิดโอกาสมากมายสำหรับการคำนวณควอนตัม ตัวอย่างเช่น หน่วยความจำควอนตัมที่เชื่อถือได้สามารถสร้างขึ้นจากคริสตัลชั่วคราวได้

จริงอยู่ งานของมอนโรและเพื่อนร่วมงานยังต้องมีการตรวจสอบ ทีมนักฟิสิกส์อื่นๆ วางแผนที่จะทดสอบธรรมชาติของเอฟเฟกต์ผลึกเวลาโดยทำการทดลองซ้ำ หากประสบความสำเร็จ สมมติฐานของ Frank Wilczek ก็จะกลายเป็นทฤษฎี และฟิสิกส์ควอนตัมจะได้รับแรงจูงใจในการพัฒนาต่อไป

ในปี 2012 Frank Wilczek ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เสนอการมีอยู่ของคริสตัลชนิดใหม่ แม้ว่าคริสตัลส่วนใหญ่จะมีโครงสร้างที่ทำซ้ำในสองหรือสามมิติ แต่ Wilczek ได้นำเสนอแนวคิดของคริสตัลที่มีโครงสร้างซ้ำกันสี่ครั้ง โดย 3 ในนั้นสอดคล้องกับมิติของอวกาศ และครั้งที่สี่เกี่ยวกับมิติของเวลา เขาเรียกโครงสร้างสมมุตินี้ว่า "ผลึกเวลา" และเมื่อปีที่แล้วเองที่นักวิทยาศาสตร์สามารถหาวิธีสังเคราะห์พวกมันในห้องปฏิบัติการได้

คริสตัลเวลา

งานวิจัยที่ตีพิมพ์เมื่อเร็วๆ นี้แสดงให้เห็นว่าผลึกเวลาที่ฉาวโฉ่มีอยู่ไม่เพียงแต่เป็นผลจากผลงานในห้องปฏิบัติการของนักวิทยาศาสตร์เท่านั้น ปรากฎว่าโครงสร้างที่คล้ายกันสามารถเกิดขึ้นได้ในสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติและกระบวนการเองก็ง่ายกว่าที่ผู้เชี่ยวชาญจินตนาการไว้มาก นี่เป็นความสำเร็จที่ยิ่งใหญ่สำหรับมนุษยชาติ: คริสตัล Wilczek สามารถใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในทางปฏิบัติได้ เช่น เพื่อสร้างนาฬิกาอะตอมที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษ ไจโรสโคปรุ่นใหม่ และอุปกรณ์อื่นๆ

ผลึกแห่งกาลเวลามีกิจกรรมที่แปลกประหลาดมากเมื่อสัมผัสกับมัน คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า- ในผลึกดังกล่าว โมเลกุลทั้งหมดจะหมุนไปในทิศทางที่กำหนด และด้วยพัลส์ EM ใหม่แต่ละครั้ง มันจะเปลี่ยนแปลงไป แต่ถึงแม้พัลส์จะสุ่ม ทิศทางการหมุนก็ยังคงเปลี่ยนแปลงเป็นระยะๆ ดังนั้นผลึกเวลาจึงสามารถใช้เป็นหน่วยวัดช่วงเวลาได้ กล่าวคือ เป็นนาฬิกาสากล

“แม้แต่เด็กก็ทำได้”

เมื่อปีที่แล้ว นักวิจัยได้ค้นพบวิธีสร้างผลึกเหล่านี้ในห้องปฏิบัติการโดยใช้เทคนิคที่ค่อนข้างซับซ้อน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการชี้เลเซอร์ไปที่ชุดอะตอมอิตเทอร์เบียม อย่างไรก็ตาม งานใหม่จากนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยเยลได้พิสูจน์แล้วว่าการสังเคราะห์ผลึกเวลาเป็นเรื่องง่ายมากจนเด็กสามารถทำได้จริงๆ พวกเขาค้นพบว่าผลึกชั่วคราวก่อตัวขึ้นภายในผลึกโมโนแอมโมเนียมฟอสเฟตปกติซึ่งมักใช้เป็นชุดอุปกรณ์ นักเคมีหนุ่ม"และของเล่นเพื่อการศึกษาอื่น ๆ ที่ทำให้คุณสามารถปลูกคริสตัลที่สวยงามที่บ้านได้ ตามทฤษฎีแล้ว คริสตัลวิลเชคสามารถซ่อนอยู่ในโครงสร้างแต่ละชิ้นได้ Sean Barrett ผู้เขียนการศึกษานี้ ตั้งข้อสังเกตว่าสิ่งนี้เป็นประโยชน์สำหรับนักฟิสิกส์ เนื่องจากยิ่งกระบวนการถูกกว่าและง่ายกว่าเท่าไร การศึกษาก็จะยิ่งง่ายขึ้นเท่านั้น ตอนนี้พวกเขาต้องเข้าใจในรายละเอียดเกี่ยวกับกลไกการสังเคราะห์ผลึกเวลาและกำหนดอย่างชัดเจนว่าจะนำไปใช้เพื่อประโยชน์ของความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้อย่างไร

เมื่อเร็วๆ นี้เป็นกลุ่ม นักฟิสิกส์ชาวอเมริกันสามารถสร้างสิ่งที่เรียกว่า "ผลึกเวลา" ซึ่งเป็นโครงสร้างซึ่งมีการคาดการณ์ความเป็นไปได้ในการดำรงอยู่ของมันมานานแล้ว

คุณลักษณะของคริสตัลคือความสามารถในการไม่สมมาตรเป็นระยะไม่เพียง แต่ในอวกาศ แต่ยังทันเวลาด้วย ดังนั้นจึงสามารถนำมาใช้สร้างโครโนมิเตอร์ที่มีความเที่ยงตรงสูงได้

โดยทั่วไปแล้วคริสตัลจะมีรูปแบบที่ขัดแย้งกันมาก ยกตัวอย่างเช่น ความสัมพันธ์ของพวกมันกับความสมมาตร อย่างที่เราทราบกันดีว่าตัวคริสตัลเองนั้นตัดสินโดยมัน รูปร่างถือได้ว่าเป็นเพียงตัวอย่างหนึ่งของความสมมาตรเชิงพื้นที่ อย่างไรก็ตาม กระบวนการตกผลึกนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการละเมิดที่เป็นอันตราย

นี่เป็นตัวอย่างที่ชัดเจนของการก่อตัวของผลึกในสารละลาย เช่น เกลือบางชนิด หากเราวิเคราะห์กระบวนการนี้ตั้งแต่เริ่มต้นก็จะชัดเจนว่าในสารละลายนั้นอนุภาคนั้นอยู่ในตำแหน่งที่วุ่นวายและอย่างน้อยที่สุดทั้งระบบก็อยู่ในตำแหน่งขั้นต่ำ ระดับพลังงาน- อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยาระหว่างอนุภาคมีความสมมาตรโดยคำนึงถึงการหมุนและการแปล อย่างไรก็ตาม หลังจากที่ของเหลวตกผลึกแล้ว จะเกิดสภาวะที่ความสมมาตรทั้งสองนี้แตกสลาย

ดังนั้นเราสามารถสรุปได้ว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคในคริสตัลที่เกิดขึ้นนั้นไม่สมมาตรเลย จากนี้คุณสมบัติที่สำคัญหลายประการของคริสตัลจะตามมา - ตัวอย่างเช่น โครงสร้างเหล่านี้นำกระแสไฟฟ้าหรือความร้อนแตกต่างกันในทิศทางที่ต่างกัน ซึ่งต่างจากของเหลวหรือก๊าซ (สามารถนำไปทางเหนือได้ แต่ไม่สามารถนำไปทางทิศใต้ได้) ในวิชาฟิสิกส์ คุณสมบัตินี้เรียกว่าแอนไอโซโทรปี แอนไอโซโทรปีแบบผลึกนี้มนุษย์ใช้กันมานานแล้วในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งของคริสตัลก็คือคริสตัลจะมีระดับพลังงานต่ำสุดอยู่เสมอในฐานะที่เป็นระบบ สิ่งที่น่าสงสัยที่สุดคือมันมีค่าต่ำกว่าตัวอย่างในสารละลายที่ "ให้กำเนิด" ให้กับคริสตัลมาก เราสามารถพูดได้ว่าเพื่อให้ได้โครงสร้างเหล่านี้ จำเป็นต้อง "ดึง" พลังงานออกจากสารตั้งต้นดั้งเดิม

ดังนั้น ในระหว่างการก่อตัวของคริสตัล ระดับพลังงานของระบบจะลดลง และความสมมาตรเชิงพื้นที่เดิมก็เสียไป และเมื่อไม่นานมานี้นักฟิสิกส์สองคนจากสหรัฐอเมริกา Al Shapir และ Frank Wilczek (โดยทางผู้ได้รับรางวัลโนเบล) สงสัยว่าเป็นไปได้หรือไม่ที่จะมีคริสตัลที่เรียกว่า "สี่มิติ" ซึ่งความสมมาตรแตกสลาย จะเกิดขึ้นไม่เพียงแต่ในอวกาศเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในเวลาด้วย

ด้วยการใช้การคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ซับซ้อน นักวิทยาศาสตร์สามารถพิสูจน์ได้ว่าสิ่งนี้เป็นไปได้ทีเดียว ผลลัพธ์ก็คือระบบที่มีอยู่เหมือนคริสตัลจริงที่ระดับพลังงานขั้นต่ำ แต่สิ่งที่น่าสนใจที่สุดคือ เนื่องจากการก่อตัวของโครงสร้างคาบบางที่ไม่อยู่ในอวกาศ แต่เมื่อเวลาผ่านไป มันจะเข้าสู่สถานะสุดท้ายที่ไม่สมมาตร ผู้เขียนผลงานเรียกระบบดังกล่าวอย่างเคร่งขรึมว่า "คริสตัลเวลา"

หลังจากนั้นไม่นานนักฟิสิกส์ทดลองกลุ่มหนึ่งซึ่งนำโดยศาสตราจารย์จางเซียงจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย (สหรัฐอเมริกา) ได้ตัดสินใจสร้างระบบดังกล่าวไม่ใช่บนกระดาษ แต่ในความเป็นจริง นักวิทยาศาสตร์สร้างกลุ่มเมฆเบริลเลียมไอออนแล้ว "กัก" มันไว้ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทรงกลม เนื่องจากการขับไล่ไฟฟ้าสถิตของไอออนที่มีประจุใกล้เคียงกันทำให้ไอออนมีการกระจายเท่าๆ กันรอบวงกลม นักวิจัยจึงสร้างผลึกก๊าซขึ้นมา และในขณะที่คุณลักษณะของสนามข้อมูลไม่เปลี่ยนแปลง แต่ในทางทฤษฎีแล้ว สถานะของระบบก็ไม่ควรเปลี่ยนแปลงเช่นกัน

ในเวลาเดียวกัน การคำนวณและการสังเกตพบว่าวงแหวนไอออนิกนี้จะไม่อยู่กับที่ ผลึกก๊าซหมุนอยู่ตลอดเวลา และปฏิกิริยาของไอออนบางครั้งก็สมมาตร บางครั้งก็ไม่สมมาตร ทั้งหมดนี้สังเกตได้แม้ว่าคริสตัลจะถูกทำให้เย็นจนเกือบเป็นศูนย์สัมบูรณ์ก็ตาม ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงเป็น "ผลึกแห่งเวลา" อย่างแท้จริง โดยแสดงคุณสมบัติของคาบและความไม่สมมาตรทั้งในอวกาศและเวลา

เป็นเรื่องน่าสงสัยว่าวงแหวนไอออนที่หมุนช้าๆ ที่สร้างโดยกลุ่มของศาสตราจารย์จาง ทำให้ผู้ที่ไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญจำนวนมากเชื่อมโยงมันกับเครื่องจักรที่เคลื่อนที่ตลอดเวลา แน่นอนว่าคริสตัลแก๊สดูเหมือนเคลื่อนที่แบบเพอร์เพทัม แต่ในความเป็นจริงแล้วไม่ใช่เลย ท้ายที่สุดแล้ว ระบบนี้ไม่สามารถทำงานได้ เนื่องจากส่วนประกอบทั้งหมดอยู่ในระดับพลังงานเท่ากัน (ยิ่งกว่านั้น น้อยที่สุด) และตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ งานจะเกิดขึ้นได้เฉพาะในระบบที่มีส่วนประกอบมีระดับพลังงานอย่างน้อยสองระดับเท่านั้น

ในขณะเดียวกัน นี่ไม่ได้หมายความว่าไม่สามารถใช้ "ผลึกเวลา" ตามความต้องการในทางปฏิบัติได้เลย ศาสตราจารย์จางเชื่อมั่นว่าบนพื้นฐานนี้ เป็นไปได้ที่จะสร้างนาฬิกาโครโนมิเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงเป็นพิเศษได้ ท้ายที่สุดแล้ว การเปลี่ยนจากสมมาตรไปเป็นความไม่สมมาตรนั้นมีระยะเวลาที่เด่นชัด ในระหว่างนี้ ศาสตราจารย์และเพื่อนร่วมงานต้องการศึกษารายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคุณสมบัติของโครงสร้างมหัศจรรย์ที่พวกเขาสร้างขึ้น...

แฟรงค์ วิลเชค.

ในเดือนมิถุนายน ทีมนักฟิสิกส์ที่นำโดย Xiang Zhang วิศวกรนาโนที่ Berkeley และ Tongchang Li นักฟิสิกส์ในกลุ่มของ Zhang ได้เสนอให้สร้างผลึกเวลาในรูปแบบของวงแหวนอะตอมหรือไอออนที่มีประจุที่หมุนอยู่ตลอดเวลา (ลีรายงานว่าเขาเคยคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้ก่อนที่จะอ่านเอกสารของ Vilczek ด้วยซ้ำ) บทความนี้ตีพิมพ์ร่วมกับ Vilcek's ในวารสารเดียวกัน

ตั้งแต่นั้นมา มีนักวิจารณ์เพียงคนเดียวเท่านั้น คือ แพทริค บรูโน นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีของ European Synchrotron Radiation Foundation ในฝรั่งเศส ที่แสดงความไม่เห็นด้วยทางวิทยาศาสตร์ บรูโนเชื่อว่าวิลเชคและเพื่อนร่วมงานของเขาระบุพฤติกรรมที่ขึ้นอยู่กับเวลาของวัตถุที่มีสถานะพลังงานตื่นเต้นมากกว่าสถานะพื้นดินอย่างผิดพลาด ไม่ใช่เรื่องน่าแปลกใจที่จะเห็นวัตถุที่มีพลังงานส่วนเกินเคลื่อนที่เป็นวงจรซึ่งจะช้าลงเมื่อพลังงานกระจายไป ในการที่จะเป็นผลึกแห่งกาลเวลา วัตถุจะต้องมีการเคลื่อนที่ตลอดเวลาในสถานะพื้น

ความคิดเห็นของ Bruno และคำตอบของ Wilczek ปรากฏในนิตยสาร PRL ในเดือนมีนาคม 2013 บรูโนแสดงให้เห็นว่าสถานะพลังงานต่ำเป็นไปได้ในระบบที่วิลเช็กเสนอเป็นตัวอย่างสมมุติของคริสตัลเวลาควอนตัม Wilczek ตอบว่าแม้ว่าตัวอย่างที่ให้มาจะไม่ใช่ผลึกแห่งกาลเวลา แต่เขาไม่คิดว่าข้อผิดพลาดนี้ "ทำให้เกิดคำถามต่อแนวคิดพื้นฐาน"

“ฉันพิสูจน์แล้วว่าตัวอย่างนี้ไม่ถูกต้อง แต่ฉันยังไม่มีหลักฐานทั่วไป ลาก่อน".

การอภิปรายไม่น่าจะจบลงบนพื้นฐานทางทฤษฎี คนที่กล้าหาญอยู่ในมือของผู้ทดลอง

ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติที่นำโดยนักวิทยาศาสตร์ของเบิร์กลีย์กำลังเตรียมวัตถุที่ซับซ้อนในห้องปฏิบัติการ แต่อาจต้องใช้เวลาตั้งแต่ "สามปีไปจนถึงอนันต์" ก่อนที่จะถึงข้อสรุปเชิงตรรกะ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับปัญหาทางเทคนิคหรือการเงินที่คาดไม่ถึง หวังว่าผลึกเวลาจะนำฟิสิกส์ไปเกินขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัมที่แม่นยำและแม่นยำ และปูทางไปสู่ทฤษฎีที่ยิ่งใหญ่กว่า

“ฉันสนใจมากว่าจะสามารถบริจาคโดยปฏิบัติตามหลักสมมุติของไอน์สไตน์ได้หรือไม่” ลีกล่าว - “เขาบอกว่ากลศาสตร์ควอนตัมไม่สมบูรณ์”

ภาพประกอบการทดลองกับวงแหวนไอออนในกับดักแม่เหล็ก

ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์ มิติของอวกาศและเวลาเกี่ยวพันกัน - อวกาศ-เวลา แต่ในกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งรับผิดชอบปฏิสัมพันธ์ของสสารในระดับย่อยอะตอม เวลาจะแสดงแตกต่างกัน - "รบกวนและไม่น่าพึงพอใจ" ตาม Zakrzewski

แนวคิดต่างๆเกี่ยวกับเวลาอาจเป็นสาเหตุของความไม่ลงรอยกัน ทฤษฎีทั่วไปทฤษฎีสัมพัทธภาพและกลศาสตร์ควอนตัม อย่างน้อยหนึ่งในสององค์ประกอบนี้จะต้องมีการเปลี่ยนแปลงเพื่อให้เกิดทฤษฎีที่ครอบคลุมได้ แรงโน้มถ่วงควอนตัม- นี่คือหนึ่งในเป้าหมายหลักของฟิสิกส์เชิงทฤษฎี ความเข้าใจเรื่องเวลาข้อใดถูกต้อง

หากผลึกเวลาสามารถทำลายความสมมาตรของเวลาได้ในลักษณะเดียวกับที่ผลึกธรรมดาทำลายความสมมาตรของอวกาศ “สิ่งนี้บ่งชี้ว่าโดยธรรมชาติแล้วปริมาณทั้งสองนี้ดูเหมือนจะมีคุณสมบัติสมมาตร และด้วยเหตุนี้จึงควรสะท้อนให้เห็นอย่างมีเอกลักษณ์ในทฤษฎี วิธี, กลศาสตร์ควอนตัมนั้นไม่สมบูรณ์ และนักฟิสิกส์ควอนตัมจะต้องพิจารณาเวลาและพื้นที่เป็นเส้นด้ายสองเส้นที่มีเนื้อผ้าเดียวกัน

ทีมงานของเบิร์กลีย์จะพยายามสร้างผลึกเวลาโดยการฉีดแคลเซียมไอออนหลายร้อยตัวเข้าไปในห้องเล็กๆ ที่ล้อมรอบด้วยอิเล็กโทรด สนามไฟฟ้าจะบังคับให้ไอออนกลายเป็นกับดักที่มีความหนา 100 ไมครอน ขนาดประมาณเส้นผมของมนุษย์ หลังจากนั้นนักวิทยาศาสตร์จะต้องปรับเทียบอิเล็กโทรดเพื่อปรับระดับสนาม เนื่องจากประจุผลักกัน ไอออนจะกระจายเท่าๆ กันรอบๆ ขอบด้านนอกของกับดัก ทำให้เกิดวงแหวนผลึก

ในตอนแรก ไอออนจะสั่นสะเทือนในสภาวะตื่นเต้น แต่เลเซอร์ไดโอด เช่นเดียวกับที่ใช้ในเครื่องเล่นดีวีดี จะตัดพลังงานจลน์ของพวกมัน ตามการคำนวณของทีม วงแหวนไอออนจะถึงสถานะพื้นเมื่อเลเซอร์ทำให้ไอออนเย็นลงจนถึงหนึ่งในพันล้านองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ อุณหภูมินี้ไม่สามารถบรรลุได้เป็นเวลานานเนื่องจากการให้ความร้อนของอิเล็กโทรดในกับดัก แต่ในเดือนกันยายนเทคโนโลยีการปฏิวัติปรากฏขึ้นซึ่งจะลดพื้นหลังความร้อนของกับดักลงร้อยเท่า นี่คือปัจจัยที่นักวิจัยต้องการอย่างแท้จริง

จากนั้นนักวิจัยจะเปิดสนามแม่เหล็กคงที่ในกับดัก ซึ่งตามทฤษฎีแล้ว จะทำให้ไอออนหมุน (และไม่มีที่สิ้นสุด) หากทุกอย่างเป็นไปตามแผนที่วางไว้ ไอออนจะกลับสู่จุดเริ่มต้นหลังจากช่วงเวลาหนึ่ง ก่อตัวเป็นตาข่ายที่ซ้ำกันเมื่อเวลาผ่านไปและทำลายความสมมาตรของเวลา

หากต้องการดูการหมุนของวงแหวน นักวิทยาศาสตร์จะสัมผัสไอออนตัวใดตัวหนึ่งด้วยเลเซอร์ ซึ่งจะทำให้ไอออนนั้นมีสถานะอิเล็กทรอนิกส์แตกต่างจากอีก 99 ไอออนอื่นๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไอออนที่เลือกจะยังคงสว่างและแสดงตำแหน่งใหม่ ในขณะที่ไอออนอื่นๆ จะถูกหรี่ลงด้วยเลเซอร์ตัวที่สอง

หากไอออนสว่างไหลเวียนด้วยความเร็วคงที่ นักวิทยาศาสตร์จะแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าความสมมาตรของเวลาการแปลสามารถถูกทำลายได้

“สิ่งนี้จะปฏิวัติความเข้าใจของเราอย่างแท้จริง” ลีกล่าว แต่ก่อนอื่นเราต้องพิสูจน์ว่ามันได้ผล”

จนกว่าการทดลองจะสำเร็จ นักฟิสิกส์จำนวนมากจะยังคงสงสัย

“โดยส่วนตัวแล้ว ฉันคิดว่าเป็นไปไม่ได้เลยที่จะตรวจจับการเคลื่อนไหวในสภาพพื้นดิน” บรูโนกล่าว “พวกมันสามารถบังคับวงแหวนไอออนให้กลายเป็นกับดักวงแหวนแล้วเล่นกับมันได้ ฟิสิกส์ที่น่าสนใจแต่พวกเขาจะไม่เห็นว่านาฬิกาของพวกเขาเดินอย่างต่อเนื่องตามที่พวกเขาอ้าง”

แม้ว่าใครจะรู้บางทีอาจจะเป็นกลศาสตร์ควอนตัม

Chris Monroe ทำงานร่วมกับกับดักไอออนที่มีการออกแบบคล้ายกัน (ที่มา: Hartmut Häffner)

ในปี 2012 Frank Wilczek ผู้ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เสนอแนวคิดที่ไม่ธรรมดา เขาแนะนำ (และพยายามพิสูจน์) ความเป็นไปได้ของการมีอยู่ของ "ผลึกแห่งเวลา" ตามที่นักฟิสิกส์กล่าวไว้ โครงสร้างดังกล่าวได้รับพลังงานสำหรับการเคลื่อนที่จากความผิดพลาดในสมมาตรของเวลา ตามที่ Vilcek กล่าวไว้ ความผิดดังกล่าวเป็นรูปแบบพิเศษของการเคลื่อนไหวตลอดกาล

ตัวคริสตัลเองก็มีโครงสร้างที่แปลกตามาก ตัวอย่างเช่น ผลึก (ซึ่งมีโครงตาข่ายคริสตัลไม่มีสมมาตรลูกบาศก์สูงสุด) มีลักษณะเฉพาะด้วยคุณสมบัติของแอนไอโซโทรปี แอนไอโซโทรปีของคริสตัลคือความหลากหลายของคุณสมบัติทางกายภาพ (ยืดหยุ่น, ทางกล, ความร้อน, ไฟฟ้า, แม่เหล็ก, ออปติคอล และอื่นๆ) ในทิศทางต่างๆ

นักฟิสิกส์สมัยใหม่ไม่เพียงสนใจในเรื่องแอนไอโซโทรปีของคริสตัลเท่านั้น แต่ยังสนใจในเรื่องความสมมาตรด้วย ในด้านความสมมาตรนั้น ไม่เพียงแสดงให้เห็นในโครงสร้างและคุณสมบัติในพื้นที่สามมิติจริงเท่านั้น แต่ยังอธิบายสเปกตรัมพลังงานของอิเล็กตรอนในคริสตัลด้วย การวิเคราะห์กระบวนการของการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ การเลี้ยวเบนของนิวตรอน และการเลี้ยวเบนของอิเล็กตรอนในผลึก การใช้พื้นที่ซึ่งกันและกัน เป็นต้น ในส่วนของ “ผลึกแห่งกาลเวลา” นักวิทยาศาสตร์ได้เสนอแนะว่าผลึกมีความสมมาตรกันในเรื่องของเวลา

Vilczek พูดเกี่ยวกับปรากฏการณ์ที่เป็นไปได้นี้ย้อนกลับไปในปี 2010: "ฉันเอาแต่คิดถึงการจำแนกประเภทของคริสตัล จากนั้นฉันก็คิดว่าเราสามารถนึกถึงกาลอวกาศจากมุมมองนี้ นั่นคือถ้าเราคิดถึงคริสตัลในอวกาศ มันก็สมเหตุสมผลที่จะจินตนาการถึงโครงสร้างคริสตัลตามเวลา” ในผลึก อะตอมจะมีตำแหน่งที่มั่นคงในโครงตาข่าย และเนื่องจากวัตถุที่มีความเสถียรจะยังคงเหมือนเดิมเมื่อเวลาผ่านไป จึงมีความเป็นไปได้ที่อะตอมจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายที่ซ้ำกันอย่างต่อเนื่องเมื่อเวลาผ่านไป พวกเขากลับสู่ตำแหน่งเดิมหลังจากช่วงเวลาห่างกัน ทำลายความสมมาตรของเวลา หากคริสตัลไม่กินหรือผลิตพลังงาน แสดงว่าผลึกชั่วคราวดังกล่าวมีความเสถียร โดยอยู่ใน "สถานะพื้นดิน" ในเวลาเดียวกันการเปลี่ยนแปลงแบบวงกลมเกิดขึ้นในโครงสร้างของคริสตัลซึ่งจากมุมมองของฟิสิกส์ถือได้ว่าเป็นการเคลื่อนไหวตลอดกาล

สันนิษฐานว่าไอออนในกับดักดังกล่าวจะอยู่ในสถานะตื่นเต้น แต่ด้วยความช่วยเหลือของเลเซอร์ พลังงานจลน์ของพวกมันจะค่อยๆ ลดลง ตามแผน อุณหภูมิของระบบจะต้องอยู่ที่ 1 พันล้านองศาเหนือศูนย์ หลังจากที่ระบบเข้าสู่สถานะพื้น นักวิทยาศาสตร์วางแผนที่จะเปิดสนามแม่เหล็กคงที่ หากสมมติฐานของผลึกเวลาถูกต้อง สนามนี้น่าจะทำให้ไอออนหมุนได้ หลังจากที่ไอออนกลับสู่จุดเริ่มต้นภายในระยะเวลาหนึ่ง นักวิทยาศาสตร์จะบันทึกการละเมิดสมมาตรทางโลก