Šta je vremenski kristal i zašto su fizičari opsednuti njim?

Foto: Rico Ködder / Panthermedia / Profimedia

Neki od današnjih kvantnih fizičara se bave jednom ezoteričnom fazom materije koja se, izgleda, ne pokorava nekima od naših zakona fizike.

Verovatno su vam poznata osnovna stanja materije – čvrsto, tečno, gasovito – koja ispunjavaju svakodnevni život na Zemlji.

Međutim, te tri različite vrste materije koje izgledaju i deluju različito nisu ceo univerzum – daleko od toga. Naučnici su otkrili (ili stvorili) desetine egzotičnijih stanja materije, koja često nose mistična i maštovita imena: superfluidi, Boze-Ajnštajnovi kondenzati i neutronska degenerisana materija, da navedemo nekoliko, piše Popular Science.

Tokom nekoliko poslednjih godina, fizičari širom sveta konstruišu još jedno stanje materije: „vremenski kristal“. Ako to izgleda kao tehnobrbljanje iz filma B-produkcije, više nije tenhobrbljanje. Koristeći kvantni kompjuter, nekoliko istraživača je stvorilo vremenski kristal koji, misle oni, čvrsto postavlja vremenske kristale u svet fizike.

Istraživači još nisu formalno objavili svoj rad, ali su postavili preliminarni dokument (koji tek treba da ocene drugi stručnjaci) na vebsajtu ArXiv.

Dakle, šta je tačno vremenski kristal? Možda zvuči kao bitna komponenta za rad vremenske mašine, neka vrsta futurističkog izvora energije ili artefakt izgubljene vanzemaljske civilizacije. Međutim, za naučnike je vremenski kristal zapravo nešto suptilnije: kuriozitet zakona fizike.

Ono što definiše bilo koji obični kristal – kao što su dijamant, smaragd ili čak kockica leda – jeste da su atomi kristala nekako raspoređeni u ponavljajućim obrascima u prostoru. Postoje tri dimenzije prostora – i četvrta dimenzija, vreme. Tako su se fizičari zapitali da li atomi kristala mogu biti raspoređeni u ponavljajućim obrascima u vremenu.

U praksi to funkcioniše otprilike ovako. Napravite kristal čiji atomi počinju u jednom stanju. Ako raznesete taj kristal precizno podešenim laserom, ti atomi bi mogli preći u drugo stanje – a zatim se vratiti u prethodno – pa se zatim opet promeniti – i tako dalje, sve bez apsorpcije bilo kakve energije od lasera.

Ako zastanete da razmislite, ono što ste upravo stvorili je stanje materije koje je stalno u pokretu, bez uzimanja bilo kakve energije.

To nije mala stvar. U suprotnosti je sa jednim od najsvetijih principa klasične fizike: drugim zakonom termodinamike. Taj zakon kaže da količina entropije, ili nereda, uvek teži povećanju. Posmatrajte to kao vazu koja se tetura na ivici stola. Univerzum hoće da prevrne tu vazu i razbije je po podu. Da biste je ponovo sastavili, morate uložiti energiju.

Vremenski kristali su zapravo prilično nova ideja, o kojoj je prvi 2012. godine teoretisao dobitnik Nobelove nagrade, fizičar Frenk Vilček. Nisu tada svi fizičari prihvatili tu teoriju, a neki su tvrdili da bi drugi zakon termodinamike digao svoju legalističku glavu.

Naravno, odlučni istraživači su pronašli rupe u zakonu. Godine 2016, fizičari na Univerzitetu Merilend uspeli su nekako da sklope grub vremenski kristal iz kolekcije atoma iterbijuma. Druge grupe su pravile vremenske kristale unutar dijamanata.

Međutim, najnoviji kreatori vremenskih kristala uradili su nešto drugačije. Okrenuli su se Guglu i upotrebili kvantni kompjuter: uređaj koji koristi osobenosti kvantne mehanike, naizgled mistične vrste fizike koja upravlja univerzumom na najsićušnijem nivou.

Umesto upotrebe komadića silicijuma poput svakodnevnih, „klasičnih“ kompjutera, kvantni kompjuteri rade direktno sa atomima ili česticama. To omogućava fizičarima da izvode eksperimente koji mogu biti krajnje mučni sa tradicionalnim kompjuterima, pošto kvantna fizika – koja dozvoljava česticama da budu više stvari ujedno i interakciju čestica na naizled nemogućim razdaljinama – može da bude prilično ezoterična.

„Sposobnost da se simuliraju pravila...postaje mnogo teža“ sa tradicionalnim kompjuterima, kaže Gabrijel Perdju, stručnjak za kvantne kompjutere u Fermilabu, nacionalnoj laboratoriji u predgrađu Čikaga fokusiranoj na najnapredniju fiziku čestica.

Međutim, raspoređujući čestice u procesoru kvantnog kompjutera, moguće je bukvalno izučavati sisteme sićušnih čestica kao da su gradivni blokovi. To je moćna sposobnost, i to nije nešto čega ćete mnogo videti u nekvantnom svetu.

„Mi ne računamo, znate, koliko dakeko ide bejzbol loptica...praveći minijaturne igrače bejzbola i izvodeći simulacije“, kaže Perdju. Međutim, nešto prilično slično u veoma maloj razmeri je ono za šta su istraživači upotrebili Guglov kvantni komjuter kako bi napravili vremenski kristal.

U ovom slučaju, fizičari su mogli da uzmu atome, prerasporede ih, zatim ih pogode laserom radi pokretanja vremenskog kristala. Ta postavka je omogućila istraživačima da stvore vremenski kristal koji je veći od bilo kojeg ranijeg. Dok su mnogi prethodni vremenski kristali bili kratkotrajni i raspadali se u toku nekoliko napred-nazad ciklusa preokretanja, naučnici koji stoje iza najnovijeg vremenskog kristala dive se stabilnosti onoga što su napravili.

„Ono što je meni tu najuzbudljivije“, kaže Perdju, „jeste demonstracija upotrebe kvantnog kompjutera da se zaista simulira sistem kvantne fizike i izučava na način koji je zaista nov i uzbudljiv“.

Dakle, mogu li ovi vremenski kristali zaista dovesti do novog talasa vremenskih mašina?

Verovatno ne. Međutim, mogli bi pomoći da kvantni kompjuteri budu još jači. Inženjeri se godinama muče da naprave nešto što bi poslužilo kao memorija u kvantnim kompjuterima, neki ekvivalent silicijumu koji je u osnovi tradicionalnih kompjutera. Vremenski kristali bi, misle fizičari, mogli poslužiti toj svrsi.

Ovaj eksperiment je takođe, kaže Perdju, demonstracija moći kvantnih kompjutera da izvršavaju naučne zadatke. „Ista platforma koja vam olakšava simulaciju nekih lepih algoritama“, rekao je on, „radi jednako dobro, čak i bolje, kod simulacije ovih vrsta sistema“.

(Telegraf Nauka/Popular Science)