Ímyndaðu þér bolta sem liggur á jörðinni.
Rétt eins og aðrir hlutir hefur boltinn margvíslega eiginleika sem lýsa þrívíðu formi hans: Hann er hnöttóttur og er með tiltekið þvermál sem ræður ummáli hans – rétt eins og á við um önnur hringlaga fyrirbæri.
En þessi bolti er engu að síður annarrar gerðar, því form hans ræðst einnig af fjórðu víddinni: Tíma.
Tíundu hverja sekúndu skiptir boltinn sjálfur um form og verður egglaga áður en hann nokkrum sekúndum síðar umbreytir sér aftur í kúlu. Þetta er fjórvíður bolti.
Þar til nýlega myndi sérhver eðlisfræðingur þræta fyrir tilvist slíks bolta, enda brýtur hann gegn nokkrum grundvallarlögmálum náttúruvísindanna.
En nú hafa tvö teymi vísindamanna, óháð hvort öðru, fengið öreindir í agnarsmáum kristöllum til að snúast og breyta mynstri af sjálfum sér í takt við gang tímans.
Í einni tilraun gátu vísindamenn látið litlar agnir í demanti hegða sér eins og tímakristallar.
Kristallarnir eru þannig nýtt tilvistarform efnis sem er hvorki fast, fljótandi, gas né rafgas, heldur ræðst form þeirra af tíma.
Tímakristallarnir, eins og vísindamenn nefna þá, gætu orðið að þeim lykli sem tölvuverkfræðinga hefur skort til að gera skammtatölvur framtíðar stöðugar og ekki síst afar orkusparsamar.
Vísindamenn finna upp eilífðarvélina
Tímakristallar voru að uppruna einungis til í höfði Nóbelsverðlaunahafans í eðlisfræði, Franks Wilczek.
Hugmynd hans tók mið venjulegum þrívíðum kristöllum, eins og t.d. í salti eða ís.
Kristallar vekja sérstakan áhuga eðlisfræðinga þar sem þeir brjóta gegn svonefndri rýmissamhverfu.
Slík samhverfa í rými finnst t.d. í bolla af fljótandi vatni: Vatnssameindirnar fylla út í bollann í einsleitu mynstri sem þýðir að tvö sýni, hvort tekið á sínum stað í bollanum, munu hafa nákvæmlega eins sameindamynstur.
Mynstur tímakristalla leynist í fjórðu víddinni.
Venjulegir þrívíðir kristallar eru sérstakir þar sem þeir brjóta gegn svonefndri rýmissamhverfu.
Formgerðin í ískristal lítur þannig ekki eins út þegar horft er á hana frá mismunandi sjónarhornum.
Tímakristallar eru hins vegar tíma – ósamhverfir sem felur í sér að þeir breyta útliti allt eftir tímapunkti.
Sameindir hreyfast frjálst
Í fljótandi vatni hreyfast sameindir á tilfallandi vegu hver innan um aðrar. Sameindirnar skiptast jafnátta (e. isotropic) sem felur í sér að formgerðin í öllum vatnsmassanum hefur enga sérstaka stefnu og lítur því eins út frá öllum sjónarhornum.
Kristallar eru læstir í neti
Þegar vatn frýs og verður að ís myndar skipan kristallanna í sameindinni ákveðið net með fast mynstur sem endurtekur sig í þremur víddum. Sameindirnar skipa sér með ekki – janfnátta (e. aisotropic) stöðu þannig að kristallarnir líta ekki eins út frá öllum sjónarhornum.
Öreindir breyta ekki spuna
Spuni er eiginleiki allra grunnöreinda sem stýrir stefnu segulsviðs þeirra og getur ýmist beinst upp eða niður. Yfirleitt breyta öreindir einungis spuna sínum verði þær fyrir utanaðkomandi áhrifum.
Tímakristallar halda sjálfir takti
Tímakristallar eru færir um að breyta spuna í fast tímalegt mynstur. Rétt eins og ískristallinn endurtekur tímakristallinn mynstur sitt með spuna upp og spuna niður í föstum takti meðan tíminn líður.
Þegar vatn í bollanum frýs og breytist í ískristalla skipa sameindirnar sér í endurtekið mynstur af föstum einingum sem eru ósamhverfar.
Tvö slembisýni úr ískristöllunum myndu þannig ekki hafa sama mynstur.
Mismunurinn samsvarar að klippa efnisprufu úr tveimur teppum – einu einlitu og einu með mynstri. Óháð því hvar klippt er niður í einlitt teppið munu sýnin líta eins út, meðan tveir bútar úr teppinu með mynstrinu verða það ekki.
Frank Wilczek rannsakaði þessar formgerðir kristala árið 2012 þegar hugmyndin spratt fram í kolli hans: Hvað ef það eru til efni sem eru ekki einungis ósamhverf í rými eins og kristallar, heldur einnig ósamhverf í tíma. Það fæli í sér að hlutur sem hvorki tekur til sín eða veitir frá sér orku getur breytt eiginleikum einungis vegna þess að tíminn líður.
Í dæminu með efnisprufunum myndi mynstrið í bút af ósamhverfu tímanlegu teppi því ekki ráðast af því hvar prufan væri klippt út, heldur hvenær hún varð klippt.
Hugmynd hans þótti strax afar heillandi, þó að margir hafi brugðist öndvert við henni.
1.000.000 sinnum minni geta minnstu einingarnar í tölvum verið ef þær eru gerðar með tímakristöllum.
Öreindir sem breyta sér sjálfar yfir tíma brjóta nefnilega gegn einni af grunnreglum eðlisfræðinnar:
Öll orka í alheiminum er konstant, þ.e.a.s. að orka getur hvorki orðið til né horfið, heldur einungis umbreyst úr einu formi yfir í annað, t.d. frá ljósi í varma.
Ef tímakristallar Wilczeks breyttu formi sínu án þess að taka við orku þyrftu þeir að skapa orku út úr engu.
Með öðrum orðum myndu tímakristallarnir verða svonefndar eilífðarvélar, en samkvæmt lögmálum eðlisfræðinnar geta slíkar ekki verið til.
Tímakristallar mæta andstöðu
Hugmynd þessari var þó ekki leyft að lifa í ró og næði.
Árið 2015 gengu tveir vísindamenn við University of California og University of Tokyo endanlega frá þessum ómögulegu eilífðarvélum, þegar þeir sönnuðu fræðilega að tímakristallar, samkvæmt lögum eðlisfræðinnar, geta ekki verið til í svonefndu varmajafnvægi.
Þegar hlutur er í slíku ástandi getur hann hvorki gefið frá sér, né tekið til sín, varma frá umhverfinu.
Varmi er í heimi eðlisfræðinnar mælieining fyrir hreyfiorku agna sem veldur því að þegar hlutur er í varmajafnvægi víxlverkar hann ekki með nokkrum hreyfingum við umhverfi sitt.
Tölvur framtíðar keyra án orku
Eilíf breyting tímakristallanna á segulsviði sínu getur reynst skipta sköpum í þróun tölva framtíðar.
Fræðilega geta kristallarnir komið í stað núverandi smára sem, rétt eins og „upp“ eða „niður“ geta haft eitt af tveimur gildum – það er ýmist kveikt á þeim eða slökkt.
Tímakristallarnir hafa þann kost að þegar búið er að setja þá í gang með að snúa upp og niður verða þeir fræðilega stöðugt að, án þess að nota orku.
Jafnframt taka þeir allt að einni milljón sinnum minna pláss en smárar – þannig að hver tölva getur innihaldið afar margar reiknieiningar.
Vísindamennirnir komust að því að tímakristallarnir gátu einungis náð að hreyfa sig væri „hnikað“ við þeim utan frá.
Þannig væri gjörsamlega ómögulegt fyrir tímakristallana að breyta formi án utanaðkomandi aðstoðar, sem var samt meginefni hugmyndar Wilczeks.
En aðrir eðlisfræðingar neituðu að gefast upp. Ef tímakristallarnir gætu ekki verið til í varmajafnvægi væri kannski mögulegt að skapa þá í ástandi ójafnvægis.
Á síðustu árum hafa skammtaeðlisfræðingar rannsakað fyrirbæri sem nefnist many – body localization, sem verður til þegar safn atóma er ekki í varmajafnvægi.
Frumeindir í þessu ástandi eru tengdar ósýnilegum böndum og geta verkað hver á aðra.
LESTU EINNIG
Í íláti fylltu með lofti munu atómin að jafnaði fylla út í rúmtak ílátsins jafnt og hreyfast með tilfallandi hætti hvert innan um annað.
En með aðstoð many – body localization geta frumeindirnar verkað hver á aðra og þannig t.d. safnast saman öðrum megin í ílátinu eða færst um í tilteknu mynstri.
Frá ómögulegri kenningu til raunveruleika
Stór áfangi náðist árið 2015 þegar vísindamenn við Princeton University sönnuðu hvernig þessir „ómögulegu“ kristallar gætu fræðilega verið til ef þeir hreyfðust í föstum tímatakti með hjálp frá many – body localization.
Það sem skiptir sköpum í þessari nýju hugmynd þeirra var að atómin myndu ekki hreyfa sig algjörlega að sjálfu sér þar sem það stríðir gegn lögmálum eðlisfræðinnar.
Þau myndu heldur ekki hreyfa sig vegna þess að eitthvað verkaði á þau utan frá, heldur fengu þau hvert annað til þess að hreyfa sig.
Tímakristallar eru pendúlar sem sveiflast að eilífu
Pendúll sveiflast fram og aftur í klukku þar til trekkja þarf hana upp á ný. Tímakristallar sveiflast einnig fram og aftur milli fleiri forma en fyrirfinnast í tilteknu skammaástandi þar sem þeir hvorki skapa né nota orku og geta því sveiflast að eilífu.
Þessi uppgötvun í eðlisfræðinni hvatti vísindamenn til að halda á rannsóknarstofuna og prófa kenninguna. Og í upphafi árs 2017 tókst tveimur ótengdum teymum vísindamanna nánast samtímis að skapa þessa fjórvíðu kristalla.
Teymin tvö, annars vegar frá University of Maryland og hins vegar Harvard University, nýttu sér meira að segja mismunandi aðferðir, en náðu engu að síður sömu niðurstöðu.
Í Maryland skutu vísindamennirnir leysigeislapúlsum inn í keðju jóna af efninu ytterbium, sem tengdust hvert öðru í gegnum many – body localization.
Ljóspúlsarnir ýttu við jónunum og fengu þær til að snúa stefnu á segulsviði sínu á hvolf og aftur til baka með samræmdum hætti.
Það vakti mikla furðu þeirra að tíðnin í skiptunum á segulsviðum jónanna hélst óbreytt þrátt fyrir að bil milli leysigeislapúlsanna breyttist.
LESTU EINNIG
Keðja af ytterbium – jónum hafði þannig sinn eigin takt sem má segja að sé einn af grundvallareiginleikum efnisins með sama hætti og massi þeirra eða rafhleðsla.
Við Harvard notuðu vísindamennirnir örbylgjupúlsa til að ýta við litlum öreindum inni í demanti. Aftur snérust agnirnar sér í afmörkuðum bilum – rétt eins og átti sér stað í Maryland – tilrauninni.
Skammtatölvur fá ofurkrafta
Þetta nýja fyrirbæri, sem nú var búið að sanna í rannsóknarstofunni, hefur vakið hrifningu eðlisfræðinga um heim allan. Tímakristallarnir eru nefnilega sönnun þeirra að efni sé fært um að skipuleggja sig í tímavíddinni.
Það er hægt að líta á kristallana sem eigið klukkuverk alheims, sem þarf bara að ýta í gang, og síðar mun það hreyfast í föstum takti af sjálfu sér – að eilífu.
Eitt svið sem slíkt klukkuverk mun vafalítið gagnast varða skammtatölvur sem verkfræðingar keppast nú við að smíða.
Í skammtatölvum munu skammtabitar leysa af hólmi venjulega smára tölva. Smárarnir eru litlir agnarsmáir rofar sem ýmist kveikja eða slökkva á sér og tölvuforrit nýta fyrir gildin 1 og 0.
Vísindamenn kalla tímakristalla „eigið klukkuverk alheims“
Þessar taktföstu umvendingar á segulsviði tímakristallanna gætu tekið við þessari virkni, en án þess að nota þá orku sem að smárarnir þurfa. Tölvurnar tækju auk þess langtum minna pláss, og þannig mætti efla reiknigetu þeirra umtalsvert.
Jafnframt virðast tímakristallarnir geta fasthaldið takti sínum, þrátt fyrir ytri áhrif, eins og t.d. frá leysigeislapúlsi, sem það þykir afar heppilegt.
Fram til þessa hefur vandinn einmitt falist í að finna agnir sem geta nýst sem skammtabitar og eru ekki of viðkvæmir til að nota í reynd.
Tilraunir með tímakristalla gætu þannig verið upphafið að splunkunýju sviði innan eðlisfræðinnar, telur einn vísindamannanna að baki tilrauninni í Maryland.
Þrátt fyrir að kristallarnir í tilraununum væru einungis til í skamma stund og voru afar litlir er nú búið að sanna grunnhugmyndina.
Og rétt eins og saltkristallar finnast náttúrulega í tiltölulega stórum stykkjum – t.d. þeim sem við stráum yfir matinn okkar – telur Monroe að tímakristalla megi finna í náttúrunni.
Með öðrum orðum gæti alheimur verið fullur af fjórvíðum kristöllum sem enginn trúði að gætu verið til.
