Co musisz wiedzieć:

• Kryształ czasu to niezwykły stan materii, w którym struktura atomów powtarza się nie tylko w przestrzeni, ale także cyklicznie w czasie.
• Koncepcję zaproponował w 2012 roku laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek, a pierwsze eksperymenty potwierdzające zjawisko przeprowadzono w 2016 roku.
• Kryształy czasu mogą pomóc w rozwoju komputerów kwantowych i nowych technologii optycznych; badania nad nimi prowadzą m.in. naukowcy z University of Colorado Boulder oraz firma Google.

Kryształ czasu

W 2012 roku laureat Nagrody Nobla z polskimi korzeniami, Frank Wilczek zaproponował istnienie nowego stanu materii - kryształu czasu - początkowo zostało to odrzucone przez niektórych fizyków jako koncepcja łamiąca prawa termodynamiki. W 2016 roku, zespół amerykańskich fizyków z Normanem Yao na czele poinformował, że udało mu się zaobserwować je w eksperymencie.

Nazwy kryształ czasu lub czasowy używa się dla opisania zjawiska, w którym materiały krystaliczne, np. diament, kwarc i sól, złożone z trójwymiarowych sieci atomowych z cząstek, które powtarzają swoje ułożenie w przestrzeni tak, że można wziąć dowolny fragment sieci i dokładnie nałożyć go na inny, wykazują powtarzalność także w wymiarze czasowym a nie tylko przestrzennym. Oznacza to, że ich elementarne składniki oscylują (drgają lub wahają się) w cyklu, który się powtarza w taki sposób, że te ruchy również dają się dokładnie nakładać na siebie.

Kryształ "niemożliwy"

Co istotne i co budzi kontrowersje, oscylacja ta narusza symetrię czasową, działając w sposób pozornie sprzeczny z fizyką. W pierwotnej wizji Wilczka, kryształ czasu wystąpiłby w układzie będącym w równowadze termicznej, nie absorbując ani nie emitując energii względem otoczenia. I to jest oś kontrowersji, bo trudno fizykom pogodzić ten ruch np. z zasadą zachowania energii i musiałoby to działać jako pewien rodzaj perpetuum mobile.

Teraz wiemy jak wygląda kryształ czasu - ale co z tego wynika?

Kryształ czasu można już zobaczyć przez mikroskop a nawet gołym okiem – stworzyli go kilka miesięcy temu fizycy z Uniwersytetu stanowego w Kolorado Boulder. Po raz pierwszy w historii oglądane a nie jedynie symulowane czy rejestrowane w inny sposób zjawisko powstało z ciekłych kryształów, tego samego materiału, który można znaleźć w wyświetlaczach LCD, znanych z zegarów i telewizorów.

W „Nature Materials” naukowcy piszą o tym jak umieścili ciekły kryształ pomiędzy płytkami szklanymi pokrytymi światłoczułym barwnikiem. Gdy na próbkę skierowali światło w określonych zakresach częstotliwości, cząsteczki barwnika uległy polaryzacji, wywierając nacisk na ciekły kryształ, co spowodowało zagięcia generujące ruchomy wzór, widoczny w próbce jako falująca seria kolorowych pasków, powtarzająca się przez wiele godzin. Ta powtarzalność to kluczowa cecha kryształu czasu.

[Kryształ czasu sfotografowany w działaniu. Uniwersytet w Kolorado Boulder]

Najważniejsze by nie przegrzać systemu

Yao i jego zespół wpadli na metodę tworzenia kryształu czasu w bardzo sprytny sposób. Zamiast brać zamknięty, stały układ, zaproponowali wykorzystanie układu o warunkach nierównoważnych. Następnie „napędzali” ten system zewnętrznie, czyniąc go otwartym, a nie - zamkniętym, i osiągając stan „kryształu czasu”. To trochę skomplikowane, ale można sobie wyobrazić, że mamy grupę atomów, które mają spiny (momenty pędu), a te spiny mają kierunki. Sposób, w jaki można „napędzić” system polega na poddaniu go impulsom magnetycznym tzw. echa spinowego. Jeśli uda się uzyskać kombinacje momentów spinów i impulsów echa spinowego, które będą zachowywały się tak jak zaplanowali uczeni, można uzyskać kryształ czasowy. Jednak uniknięcie tego, co zwykle dzieje się w przypadku interakcji z układem, czyli do wymiany energii z otoczeniem, jest ona przekazywana w całym układzie, powodując gwałtowne nagrzewanie się w wyniku oddziaływań wielu ciał i zniweczenie wysiłku naukowców. Kluczem jest impulsowanie bez „ogrzewania” systemu.

Metodę Yao zastosowały do eksperymentów kolejne zespoły badaczy. Gdy kryształy czasu zostały po raz pierwszy z sukcesem skonstruowane, uznano, że mogą znaleźć zastosowanie w komputerach kwantowych do walki z trudnym problemem „dekoherencji”, czyli braku stabilności i rozpadu bitów pamięci kwantowej (kubitów). Pomysł wykorzystania kryształów czasowych w obliczeniach kwantowych zaczęła badać m. in. firma Google.

Dlaczego kryształy czasowe nie łamią praw fizyki?

Dzięki zdolności do wiecznego oscylowania między dwoma stanami bez utraty energii, kryształy czasu „unikają” fatum jednego z najważniejszych praw fizyki, drugiego prawa termodynamiki, które mówi, że nieporządek, czyli entropia, izolowanego systemu musi zawsze wzrastać. Pozostają stabilne, mimo że istnieją w ciągłym stanie „rozedrgania”.

Oczywiście w rzeczywistości nie ma tu mowy o złamaniu praw fizyki. Drugie prawo termodynamiki dotyczy układów zamkniętych, a nie otwartych. Nieporządek systemu, jeśli uwzględnimy impulsy mikrofalowe i środowisko zewnętrzne, rzeczywiście wzrasta, tak jak przewidywano. Kryształy oscylują między dopuszczalnymi stanami i wracają do pierwotnych, gdy są odpowiednio sterowane a nie „same z siebie”. W fizyce kwantowej perpetuum mobile jest możliwe, o ile mamy zamknięte oczy, co w praktyce oznacza, że kryształy czasu są „perpetuum mobile”, gdyż nie mogą być bezpośrednio obserwowane.

Historia odkrycia – oś czasu kryształu czasu

2012 – Laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek zaproponował istnienie kryształu czasu jako nowego stanu materii. Koncepcja była początkowo odrzucana jako sprzeczna z termodynamiką.

2016 – Norman Yao i jego zespół opracowali praktyczną metodę tworzenia kryształów czasu w układach otwartych. W tym samym roku dwie grupy potwierdziły metodę eksperymentalnie:

• · Mikhail Lukin z Harwardu, korzystając z metody Yao i modyfikując ją osiągnął kryształ diamentu z ~1 mln zanieczyszczeń spinowych impulsowany mikrofalami, który wykazywał oscylacje co trzy pełne okresy.
• · Christopher Monroe z Uniwersytetu w Maryland skonstruował kryształ czasowy z atomów itru w linii jednowymiarowej, który cechował się powrotem do stanu wyjściowego co dwa pełne okresy impulsów.

2022 – Samuli Autti z Uniwersytetu Lancaster połączył dwa kryształy czasu w makroskopowy system dwupoziomowy z użyciem tzw. kwazicząstek, magnonów. Czas życia kryształu sięgał tysiąca sekund.

2023 – Riccardo Sapienza (Imperial College London) przeprowadził eksperyment ze „szczelinami czasowymi" – wariant słynnego doświadczenia z podwójną szczeliną wykorzystujący koncepcje kryształu czasowego, gdzie przeszkody dla światła rozdzielone były w czasie, nie w przestrzeni. Wyniki w „Nature Physics”.

2025 – Hanqing Zhao i Iwan I. Smaluch (Uniwersytetu stanowy w Kolorado Boulder) wytworzyli obserwowalny kryształ czasu. Wyniki w „Nature materials”.

Jakie zastosowanie w praktyce mogą mieć kryształy czasu?

Komputery kwantowe – ograniczenie dekoherencji (utraty stanów kwantowych kubitów i w rezultacie informacji). Google utrzymało stan kryształu czasowego przez ~100 sekund za pomocą pulsujących mikrofal, co jest wynikiem wybitnym w świecie obliczeń kwantowych.

Optyka i fotonika – kryształy czasu teoretycznie pozwolą stworzyć metamateriały czyli materiały, których własności zależą od jego struktury, zmieniające właściwości optyczne w czasie. A to może prowadzić do szybszych, bardziej energooszczędnych procesorów optycznych.

Medycyna – precyzyjniejsze techniki obrazowania oraz celowane niszczenie komórek nowotworowych z mniejszą liczbą skutków ubocznych.

Kim jest twórca teorii kryształów czasu Frank Wilczek?

Amerykański fizyk teoretyczny, jeden z najwybitniejszych naukowców współczesności. Jego dziadkowie ze strony ojca pochodzili z Polski. Babcia, Franciszka Żybura, do 1921 mieszkała w Babicach, gm. Krzywcza pow. Przemyski. Dziadek, Jan Wilczek, pochodził z okolic Warszawy i był jednym z amerykańskich ochotników w Błękitnej Armii generała Hallera.

Najważniejsze osiągnięcia: W 2004 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki (wspólnie z Davidem Grossem i Davidem Politzerem) za odkrycie zjawiska zwanego asymptotyczną swobodą w chromodynamice kwantowej (QCD). Odkrycie to wyjaśnia, dlaczego kwarki wewnątrz protonów i neutronów zachowują się jak swobodne cząstki przy bardzo wysokich energiach, ale nie mogą istnieć samodzielnie w normalnych warunkach. Oprócz koncepcji kryształów czasowych zaproponował też istnienie hipotetycznej cząstki elementarnej zwanej aksjonem, będącej kandydatem na ciemną materię. Wprowadził pojęcie anyonów – cząstek o szczególnych właściwościach kwantowych, istotnych dla obliczeń kwantowych Autor popularnonaukowych książek, m.in. „Piękne pytanie. Odkrywanie głębokiej struktury świata”.

Najczęściej zadawane pytania (FAQ)

Czym jest kryształ czasu? Kryształ czasu to stan materii, w którym cząsteczki materiału krystalicznego oscylują w regularnych cyklach powtarzających się w czasie – podobnie jak atomy zwykłego kryształu powtarzają swoje ułożenie w przestrzeni. Oscylacja ta narusza symetrię czasową, działając pozornie sprzecznie z rytmami natury.

Kto zaproponował istnienie kryształów czasu? Koncepcję nowego stanu materii zaproponował w 2012 roku laureat Nagrody Nobla Frank Wilczek.

Dlaczego pierwotnie sądzono, że kryształy czasu są niemożliwe? Uważano, że oscylowanie między stanami energetycznymi byłoby odpowiednikiem perpetuum mobile, naruszającym drugie prawo termodynamiki i zasadę zachowania energii.

Czy kryształy czasu łamią prawa fizyki? Nie. Drugie prawo termodynamiki dotyczy wyłącznie układów zamkniętych. Kryształy czasu działają w układach otwartych. Oscylacje i powrót do stanu pierwotnego są możliwe przy odpowiednim sterowaniu zewnętrznym. Uwzględniając środowisko zewnętrzne, nieporządek całego systemu rośnie zgodnie z przewidywaniami.

Jakie zastosowania mogą mieć kryształy czasu? Trzy główne obszary zastosowań to: komputery kwantowe (ograniczenie dekoherencji i utrata stanów kwantowych), optyka (szybsze i energooszczędniejsze procesory optyczne) oraz medycyna (precyzyjne obrazowanie i celowane niszczenie komórek nowotworowych).

Czy kryształy czasu mają związek z podróżami w czasie? Jeśli w ogóle, to hipotetycznie i pośrednio. Nicole Yunger Halpern, amerykańska fizyk teoretyczna, wskazała, że efekty zbliżone do podróży w czasie można symulować kwantowo także w układach podobnych do kryształów czasowych, choć skuteczność takich symulacji wynosi zaledwie 25 proc.

Źródła:

Weird ‘time crystals’ are made visible at last

Time crystals in periodically driven systems

[Mirosław Usidus - Dziennikarz, popularyzator nauki, menedżer i kreator licznych projektów internetowych, w tym m. in. współtwórca „Rzeczpospolitej” Online, portalu TVP, nowatorskiego serwisu fact checkingowego #FakeHunter. Były redaktor naczelny miesięcznika „Młody Technik”]

[Tytuł, lead, sekcja "Co musisz wiedzieć" i niektóre śródtytuły od Redakcji]