Fizycy z Uniwersytetu Jiao-Tong w Szanghaju dokonali czegoś dziwnego.
Stworzyli stołowy kryształ czasoprzestrzeni. A potem patrzył, jak się topi.
A oto rezultat: przestrzeń i czas ulegają zniszczeniu niezależnie od siebie.
Zwykle myślimy o topnieniu jako o prostym procesie. Ciało stałe zamienia się w ciecz. Entropia wygrywa. Porządek umiera.
Ten fragment się z tym nie zgadza.
W egzotycznym stanie znanym jako kryształ czasoprzestrzenny czas i przestrzeń mogą stopić się oddzielnie. Badania opublikowane w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences dają rzadką okazję zobaczenia, jak rozpada się ta niezwykła materia.
Zacznijmy od definicji. Zazwyczaj „kryształ” odnosi się do atomów ułożonych w trójwymiarowej siatce. Powtarzające się wzorce. Idealny porządek.
Kryształ czasoprzestrzeni dodaje czas do tego równania.
Struktura powtarza się zarówno w przestrzeni, jak i w czasie. Atomy wibrują w stałym, powtarzającym się rytmie. Cykl powtarza się w kółko.
Trudno je stworzyć. Utrzymanie ich stabilności jest jeszcze trudniejsze. Wersje kwantowe stwarzają ogromne wyzwania techniczne. Dlatego zespół zwrócił się do klasycznego analogu.
Wyobraź sobie talerz Chladni. Ustawiasz częstotliwość na 100 herców, wibrując powierzchnię. Ziarna piasku zaczynają tańczyć i osadzać się w węzłach.
Ale w tym eksperymencie piasek zostaje zastąpiony małymi plastikowymi krążkami. Każdy dysk ma sześć zagiętych pinów. Drżą chaotycznie na wibrującej platformie. Losowe wstrząsy od siły napędowej.
Żadnych linii prostych.
O ile oczywiście nie dodasz wystarczającej liczby dysków.
Wtedy dzieje się magia.
Setki dysków spontanicznie organizują się w trójkątną siatkę. Cała grupa obraca się jako jedna. Jeden pełny obrót zajmuje pięć godzin.
Ten zsynchronizowany ruch przetrwa nawet w obecności hałasu. Trwa prawie jeden dzień.
Kluczową kwestią jest to, że ten pięciogodzinny obrót różni się od częstotliwości napędu 100 Hz. Napęd dostarcza jedynie energię. Długoterminowe oscylacje powstają same.
Aby zobaczyć, co się stanie, gdy zamówienie nie powiedzie się, badacze usunęli część dysków. Zmniejszyli gęstość upakowania. Wymusili krach.
Proces ten nie tylko zanikł. Nie popadał stopniowo w chaos.
Proces topienia kryształu czasoprzestrzeni rozwijał się w trzech oddzielnych fazach.
- Synchronizacja czasu jest lokalnie zakłócona. Obszary kryształu tracą rytm. Reszta nadal się porusza.
- Rytm zostaje całkowicie zniszczony. Zanika porządek czasowy. Kryształ zachowuje jednak swój przestrzenny kształt. Przestrzeń i czas są rozłączone.
- Krata się zapada. Fizyczna struktura rozpada się. Materiał staje się nieuporządkowaną cieczą.
Stoją za tym dwa różne procesy fizyczne.
Utrata porządku czasowego spowodowana jest osłabieniem oddziaływań cząstek. Zapadnięcie się samego kryształu następuje w wyniku rozprzestrzeniania się defektów przez sieć.
Dlaczego to jest ważne?
Bo zasady rządzące porządkiem w czasie różnią się od zasad rządzących porządkiem w przestrzeni.
„Nasze wyniki eksperymentów ujawniają złożony, trzyetapowy scenariusz topnienia” – napisali naukowcy. Zauważyli, że symetrie przestrzenne i czasowe załamują się przy różnych wartościach krytycznych. Poprzez różne mechanizmy. Działają niezależnie.
Nie oznacza to, że wszystkie kryształy czasoprzestrzeni zachowują się w ten sam sposób. Systemy kwantowe mogą się różnić.
Ale eksperyment dowodzi, że przestrzeń i czas można oddzielić podczas przejścia fazowego.
Otwiera to nowe możliwości badania złożonych łamań symetrii w systemach klasycznych. Egzotyczne fazy nierównowagi nie są już tylko teorią. Można je zobaczyć. Choćby tylko na kilka godzin, na wibrującym stole w Chinach.
