Holisztikus tábor - Július 13-15 - Jelentkezz!
Sign up with your email address to be the first to know about new products, VIP offers, blog features & more.

Az időkristályok feje tetejére állítják a fizikusok időelméletét

2012 februárjában Frank Wilczek, a Nobel-díjat nyert fizikus, úgy döntött, hogy a nyilvánosság elé tárja az egyik különös és – amiért aggódott – kissé zavarba ejtő ötletét. Lehetetlennek tűnt, mégis Wilczek kifejlesztette az „időkristályok” kézzelfogható bizonyítékát, azaz azokat a fizikai struktúrákat, amelyek egy ismétlődő minta szerint mozognak, mint ahogyan a másodpercmutató körbejár, de energiafelhasználás és lejárás nélkül.

Az óráktól vagy bármilyen más ismert tárgyaktól eltérően, az időkristályok a mozgásukat nem az elraktározott energiakészletből nyerik, hanem az időszimmetria megszakadásából/megtöréséből, amely az örökmozgó egy speciális formáját teszi lehetővé.

 

„A legtöbb fizikai kutatás a korábban már lefuttatott dolgoknak a folytatásai” – fogalmazott Wilczek, Massachusetts Institute of Technology professzora. Elmondta, hogy ez ettől merőben eltérő dolog.

 

Wilczek ötlete nem váltott ki reakciókat a fizikusokból. Íme, itt áll előttünk egy briliáns professzor, akit az olyan egzotikus elméletek kifejlesztőjeként ismerünk, melyek bekerültek a főáramlatba, ide értve az axionoknak és az anyonoknak nevezett részecskéket, továbbá felfedezte a nukleáris részecskék aszimptotikus szabadságnak nevezett tulajdonságát (amiért 2004-ben megosztva Nobel-díjat is kapott). Azonban az örökmozgó, amelyet a fizika alaptörvényei lehetetlennek tartanak, kemény diónak bizonyult. Vajon ez a munka egy nagy áttörést vagy hibás logikát takar? Jakub Zakrzewski, a lengyelországi Jagelló Egyetem elemi fénytannal foglalkozó vezető fizikaprofesszora, aki Wilczek publikációjához kapcsolódó kutatás távlatairól írt, közölte: „Egyszerűen nem tudom.”

 

Jelenleg a technológiai fejlődés lehetővé teszi, hogy a fizikusok leteszteljék az ötletet. Azt tervezik, hogy időkristályokat hoznak létre, nem azt várva, hogy ez az örökmozgó egy végtelen energiaforrást fog eredményezni (aminek a kifejlesztésén évezredek óta hiába fáradoznak a feltalálók), hanem magának az időnek egy jobb tudományos magyarázatát fogja kínálni.

 

http://www.wired.com/

 

Egy őrült elmélet

 

Wilczek egy 2010-es előadására készülvén lyukadt ki az ötletnél. „A kristályok osztályozásáról töprengtem, amikor feltűnt nekem, hogy természetes dolog, hogy egyszerre gondolkodunk a térről és az időről” – mondta. „Így amikor a kristályokról gondolkodunk a térben, magától értetődő, hogy az időben történő kristályos viselkedés osztályozásáról is elmélkedünk.”

 

Amikor az anyag kristályosodik, az atomok spontán módon szerveződnek a háromdimenziós kristályrács soraiba, oszlopaiba és halmaiba. Az atomok minden egyes „rácspontot” elfoglalják, de az atomok közötti erőegyensúly megakadályozza őket abban, hogy a közbeeső térbe tartózkodjanak.

Mivel az atomoknak egyszerre csak különálló, s nem folyamatos választási sorrendjük van a létezésre, a kristályokról azt mondják, hogy megtörik a természet térbeli szimmetriáját – az általános szabály az, hogy a tér valamennyi helye egyenrangú. Azonban mi a helyzet természet időbeli szimmetriájával –  azzal a szabállyal, miszerint a szilárd tárgyak ugyanolyanok maradnak egész idő alatt?

 

Wilczek hónapokon keresztül morfondírozott a lehetőségen. Végül az egyenletei kimutatták, hogy az atomok ténylegesen szabályosan ismétlődő rácsokat alkotnak az időben és így térnek vissza a kezdeti elrendeződésükhöz különálló, s nem folyamatos időközönként, ezáltal megtörik az időszimmetriát.

Anélkül, hogy energiát fogyasztanának vagy termelnének, az időkristályok stabilak lehetnek, amit a fizikusok „alapállapotnak” hívnak, dacára a szerkezetükben végbemenő ciklikus változásoknak, amiről a tudósok azt mondják, hogy akár örökmozgásként is értelmezhetők.

 

„A fizikusok számára igazán őrült koncepció egy olyan alapállapotról elmélkedni, amely időfüggő” – mondta Hartmut Häffner, a Berkleyben található Kaliforniai Egyetem kvantumfizika professzora. „Az alapállapot definíciója szerint ez a nullponti energia. Amennyiben viszont az állapot időfüggő, akkor ez azt jelenti, hogy az energia megváltozik, vagy valamilyen változás történik. Valami forgó mozgást végez.”

 

Hogyan tud valami mozogni és folyamatosan örökké mozogni anélkül, hogy energiát fogyasztana? Ez egy képtelen ötletnek tűnhet – ez a fizika elfogadott törvényeinek jelentős megszegése. Azonban Wilczek-nek a kvantum és a klasszikus időkristályokról szóló dolgozata (a legutóbbinak Alfred Shapere a társszerzője a Kentucky Egyetemről) megbirkózott a szakértő kritikusok zsűrijével és 2012-ben publikálásra került a Physical Review Letters folyóiratban. Wilczek nem állította, hogy léteznek olyan tárgyak a természetben, amelyek megtörik az időszimmetriát, hanem azt szerette volna, ha kísérleti fizikusok megpróbálnak létrehozni egyet.

 

„Ez olyan, mintha célpontokat jelölnél ki és megvárnád, amíg a nyilak beletalálnak” – mondta. „Ha egyáltalán nincs logikai akadálya, hogy ez a viselkedés megvalósuljon, akkor remélem, hogy meg is fog valósulni.”

 

A nagy teszt

 

Xiang Zhang, Berkeley nanomérnök fizikusa és Tongcang Li, a Zhang csoport doktorátus utáni kutatója által vezetett fizikuscsoport júniusban azt javasolta, hogy készítsenek egy időkristályt töltött atomok vagy ionok folyamatosan körbe forgó gyűrűjének formájában. (Li közölte, hogy már azelőtt fontolgatta az ötletet, hogy Wilczek írását olvasta volna.) A csoport cikke Wilczekével egyetemben a Physical Review Letters-ben jelent meg.

 

http://www.wired.com/

 

Azóta egyetlen kritika fogalmazódott meg a szakirodalom szerint: Patrik Bruno a Franciaországban levő Európai Szinkrotron Sugárzás Intézet elméleti fizikusának tollából. Bruno úgy véli, hogy Wilczek és társai tévesen gerjesztett energiaállapotban és nem alapállapotban azonosították be a tárgyak időfüggő viselkedését. Abban az égvilágon semmi meglepő nincs, hogy az energiafelesleggel rendelkező tárgyak ciklikus módon mozognak, majd ahogy az energiájuk fogy, úgy csillapodik a mozgásuk. Akkor beszélünk időkristályról, ha a tárgy alapállapotban produkál állandó mozgást.

 

Bruno magyarázata és Wilczek válasza a 2013. márciusi Physical Review Letters-ban jelent meg. Bruno kimutatta, hogy lehetséges az alacsony energiaállapot abban a modellben, amelyet Wilczek a kvantum időkristály hipotetikus példájaként javasolt. Wilczek azt mondta, hogy bár a példa nem időkristály, nem úgy véli, hogy a hiba „megkérdőjelezi az alapkoncepciót”.

 

„Bebizonyítottam, hogy a példa nem megfelelő.” – mondta Bruno. „De nincs egyetemes bizonyítékom – eddig, egyelőre.”

 

A vita valószínűleg nem fog csupán az elméleti síkra korlátozódni. „A labda valójában a nagyon okos és tapasztalt kollégáim kezében van.” – jelentette ki Zakrzewski.

 

A Berkeley tudósai által vezetett nemzetközi kutatócsoport egy bonyolult laboratóriumi kísérletet készít elő, jóllehet „három évtől a végtelenségig is” eltarthat, mire befejezik az anyagi finanszírozástól és az előre nem látható technikai nehézségektől függően, mondta Häffner, aki Zang fő kutatótársa. Abban reménykednek, hogy az időkristályok a kvantummechanika pontos, de látszólag tökéletlen törvényein túlra vezetik a fizikusokat, és közelebb visznek egy nagy elmélethez.

 

Nagyon kíváncsi vagyok arra, hogy képes vagyok-e új eredményekkel előállni Einstein után – mondta Li.

„Azt mondta, hogy a kvantumfizika még nincs teljesen kidolgozva.”

 

Építsünk iongyűrűt!

 

Albert Einstein általános relativitáselmélete (egy olyan törvénytár, amely irányítása alatt tartja a gravitációt és az univerzum nagyméretű struktúráit) szerint a tér- és az idődimenziók ugyanabból az anyagból, nevezetesen a téridőből szőtt háló. Azonban a kvantummechanikában (olyan törvényszerűségek, amelyek az atomoktól kisebb méretű kölcsönhatásokat irányítják) az idődimenzió a három térdimenziótól eltérő módon jelenik meg – „egy zavaró és esztétikailag visszatetsző aszimmetria révén” – mondta Zakrzewski.

 

Mivel az idő különféle megközelítési módja az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika közötti összeférhetetlenség forrása lehet, így legalábbis az egyiket muszáj lesz átdolgozni, hogy egy mindent felölelő kvantumgravitációs teóriát kapjunk (mely közismerten az elméleti fizika legfőbb célja). Vajon melyik időfelfogás a helyes?

 

Amennyiben az időkristályok ugyanazon a módon képesek megtörni az időszimmetriát, ahogyan a hagyományos kristályok megtörik a térszimmetriát, akkor „ez azt jelenti, hogy a természetben ez a két mennyiségi tényező hasonló tulajdonságokkal bírhat és végül is egy elméletbe is beleférhet.” – mondta Häffner. Ez utalhat részben arra, hogy nem megfelelő a kvantummechanika, részben pedig arra, hogy egy jobb kvantumelmélet esetleg ugyanannak a szövetnek a két szálaként kezelhetné a teret és az időt.

 

A Berkley vezette csapat úgy próbál időkristályt készíteni, hogy 100 kalciumiont fecskendez egy elektródákkal körülvett kis kamrába. Az elektródák keltette elektromos erőtér 100 mikronnyi vagy egy emberi hajszálnyi szélességű csapdába ejti az ionokat. A tudósoknak pontosan úgy kell beállítaniuk az elektródákat, hogy egyenletessé tegyék a mezőt. Mivel az azonos töltések taszítják egymást, az ionok egyenletesen a csapda külső széle köré rendezik magukat és egy kristálygyűrűt hoznak létre.

 

Először az ionok gerjesztett állapotban rezegnek, majd a DVD lejátszókban található lézerdiódákhoz hasonló diódákat fognak arra használni, hogy fokozatosan szétoszlassák az extra mozgási energiájukat. A csoport számításai szerint az iongyűrű alapállapotba rendeződik, amikor az ionokat lézerekkel nagyjából az abszolút zéró fokot egy milliárdnyival meghaladó fokra hűtik. A csapda elektródái által kibocsátott háttérhő sokáig akadályozta e hőmérséklet elérését, azonban szeptemberben egy olyan forradalmian új technika, amely képes az elektródákról eltávolítani a felületi szennyeződéseket, lehetővé tette az ioncsapda háttérhőjének a százszoros csökkentését. „Pontosan erre a faktorra volt szükségünk ahhoz, hogy sikerre vigyük a kísérletet” – mondta Häffner.

 

Ezután a kutatók bekapcsolják az állandó mágneses mezőt a csapdában, amely az elmélet szerint forgó mozgásra ösztönzi az ionokat (amit a végtelenségig fognak folytatni). Ha minden a tervek szerint megy, az ionok meghatározott időközönként visszatérnek a kiindulási pontjukra és egy szabályosan ismétlődő kristályrácsot hoznak létre az időben, ami megtöri az időszimmetriát.

 

Azért, hogy a gyűrű forgását láthassák, a tudósok lézerrel kilövik az egyik iont és ténylegesen megjelölik azáltal, hogy a másik 99 iontól eltérő elektronállapotba juttatják. Világos marad (és megmutatja az új helyzetét), míg a többi a második lézer hatására elsötétül.

 

Amennyiben a fényes ion egyenletesen fog körözni a gyűrűben, akkor a tudósoknak első alkalommal sikerül bebizonyítaniuk, hogy megtörhet az idő haladó mozgása, „Ezt valóban nagy feladat lesz megértenünk.” – mondta Li. „De először azt kell bebizonyítanunk, hogy valóban létezik.”

 

Amíg ez megtörténik, néhány fizikus nagyon szkeptikus marad. „Személy szerint én azt gondolom, hogy nem lehetséges a mozgást alapállapotban megmérni” – közölte Bruno. – „Lehet, hogy képesek létrehozni egy iongyűrűt egy toroidális csapdában és néhány érdekes dolgot csinálni vele, viszont nem fogják látni, amint az órájuk örökké ketyeg, miként szeretnék.”

 

forrás: http://www.wired.com

 

Boldog napot!

TÁRSOLDALUNK: www.napvallas.hu
signature

No Comments Yet.

What do you think?

Ez a weboldal az Akismet szolgáltatását használja a spam kiszűrésére. Tudjunk meg többet arról, hogyan dolgozzák fel a hozzászólásunk adatait..