W świecie nauki, badania nad strukturami krystalicznymi zawsze były fascynującym polem eksploracji. Kryształy, będące najbardziej uporządkowanymi substancjami w przyrodzie, dostarczają stabilności i sztywności dzięki regularnym, powtarzalnym strukturom na poziomie atomowym i molekularnym. Jednak w ostatnich latach grupa naukowców, na czele z laureatem Nagrody Nobla, Frankiem Wilczkiem, zgłębia nowe fascynujące zagadnienie – kryształy czasu.
Kryształy czasu to nowatorski koncept, który stanowi rozszerzenie teorii względności Alberta Einsteina. Naukowcy badają, czy struktury zależne od czasu mogą wykazywać podobne właściwości jak kryształy przestrzenne. To niezwykłe odkrycie otwiera nowe perspektywy w zrozumieniu natury czasu i jego roli w budowie materii.
Rola fizyki kwantowej w ich badaniu
Fizyka kwantowa odgrywa kluczową rolę w badaniach nad kryształami czasu – nowym stanem materii, w którym atomy tworzą regularną sieć krystaliczną na osi czasu. Szczegółowe zrozumienie tej dziedziny może prowadzić do przełomowych odkryć w dziedzinie fizyki, budowania struktur czasoprzestrzennych oraz zgłębiania teorii czasu. Teoria względności Einsteina, mówiąca o ścisłym związku przestrzeni i czasu, stanowiła podstawę do podjęcia badań nad tymi strukturami zależnymi od czasu.
Noblista z 2004 roku, Frank Wilczek, wyjaśnił koncepcję symetrii w fizyce i matematyce oraz jej znaczenie dla kryształów czasowych. Symetria przesunięcia w czasie (symetria τ) jest kluczowa dla zrozumienia tych struktur. Kryształy czasowe łamią symetrię podstawowych praw fizyki względem przesunięcia w czasie, co prowadzi do nowych odkryć w dziedzinie fizyki kwantowej, strukturach czasoprzestrzennych i teorii czasu.
Prace nad technologiami kwantowymi finansowane ze środków unijnych prowadzone są przez naukowców z różnych krajów europejskich, w tym Francji, Niemiec, Szwajcarii i Szwecji. Projekt QUREP uzyskał wsparcie Komisji Europejskiej o wartości 1,9 mln EUR, co pokazuje rosnące zainteresowanie nowymi odkryciami w materii i ich zastosowaniami.
Przykłady eksperymentów z kryształami czasu
Pierwsze kryształy czasu zostały stworzone w 2022 roku. Fizycy z University of Maryland stworzyli kryształy czasoprzestrzenne używając jednowymiarowego łańcucha jonów iterbu, kierując się instrukcjami Normana Yao. Inna grupa badawcza z Harvard University również z sukcesem wytworzyła kryształy czasoprzestrzenne, używając innego układu pomiarowego. Te eksperymenty potwierdziły, że kryształy czasowe rzeczywiście istnieją i mogą być badane w laboratorium.
Kryształy czasowe są okresowo „popychane”, co powoduje ich powtarzalność w czasie, podobnie jak uderzanie w galaretkę powoduje jej drgania. Profesor Krzysztof Sacha z Krakowa jest pionierem we współpracy z grupą prof. Petera Hannaforda z Swinburne University of Technology w Melbourne, realizując eksperyment z kryształami czasowymi. Projekt ten jest finansowany przez Australijski Komitet Badań i trwać będzie trzy lata.
Grupa australijska specjalizująca się w lustrach atomowych w Swinburne University of Technology w Melbourne ściśle współpracuje z zespołem Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie. Polski eksperyment z kryształami czasowymi został zainicjowany w odpowiedzi na eksperyment zrealizowany przez Amerykanów w 2016 roku. Koncepcja kryształów czasowych była wcześniej uznawana za niemożliwą do realizacji, jednak z biegiem czasu naukowcy ustalili warunki umożliwiające samoorganizację układu wielu ciał w czasie.
Badania nad kryształami czasowymi stanowią przyszłościowy kierunek badań, czego dowodem jest konkurs na finansowanie takich badań ogłoszony przez amerykańską agencję DARPA. Pierwsza na świecie konferencja poświęcona kryształom czasowym odbędzie się we wrześniu w Krakowie, a wezmą w niej udział wybitni fizycy kwantowi, w tym dwaj nobliści.
Jakie zastosowania mogą mieć te struktury
Kryształy czasowe, nowy stan materii odkryty zaledwie kilka lat temu, budzą ogromne zainteresowanie wśród naukowców. Choć ich potencjalne praktyczne zastosowania nie są jeszcze w pełni poznane, pojawiają się obiecujące sugestie dotyczące zastosowania tych struktur w różnych dziedzinach. Eksperci wskazują, że kryształy czasowe mogą znaleźć zastosowanie jako prawie perfekcyjne pamięci oraz być przydatne w budowie komputerów kwantowych, które wykorzystują kwantową mechanikę do wykonywania obliczeń.
Co więcej, agencja badawcza DARPA, podlegająca Pentagonowi, ogłosiła konkurs mający na celu znalezienie zastosowań kryształów czasowych w technologiach militarnych. Profesor Krzysztof Sacha z Uniwersytetu Jagiellońskiego przewiduje, że rewolucja w wykorzystaniu kryształów czasowych rozpocznie się, gdy ich czasowa struktura zostanie połączona ze znanymi kryształami przestrzennymi. Naukowcy uważają również, że kryształy czasowe mogą przyczynić się do rozwoju bardziej dokładnych zegarów, przewyższających obecne standardy czasomierzy atomowych.
Choć zastosowania kryształów czasowych wciąż pozostają w sferze badań i eksperymentów, ich stabilność w chaosie oraz unikalne właściwości czasoprzestrzenne otwierają przed naukowcami szerokie perspektywy wykorzystania tych struktur w przyszłości. Śledzenie dalszych postępów w tej dziedzinie fizyki może prowadzić do przełomowych odkryć i nowych zastosowań.
Trendy w badaniach nad nowymi stanami materii
Badania nad kryształami czasowymi otwierają nowe perspektywy w fizyce materii skondensowanej. Naukowcy, tacy jak Norman Yao, podkreślają, że kryształy czasowe są jednymi z pierwszych przykładów materii niezrównoważonej, co stanowi nowy obszar badań w porównaniu z tradycyjnymi badaniami nad materią w równowadze. Badacze koncentrują się na zrozumieniu właściwości i zachowania tych nowych struktur, a także na poszukiwaniu innych form materii niezrównoważonej.
Trwają ożywione dyskusje na temat natury kryształów czasowych i ich miejsca w fizyce. Naukowcy analizują, w jaki sposób te nowe stany materii mogą rzucić nowe światło na podstawowe prawa fizyki. Badania te mogą prowadzić do odkrycia nieznanych dotąd stanów materii, poszerzając naszą wiedzę o fundamentalnych aspektach budowy świata.
Innowacje w badaniach nad materią na poziomie kwantowym, takie jak synteza „cyklogenów” zawierających do 18 warstw, czy odkrycie nowego związku węgla – katonu metylowego CH3+, pokazują, że badania nad materią to ciągle dynamicznie rozwijająca się dziedzina, pełna nieoczekiwanych nowych odkryć w materii i innowacji w kwantach. Dalsze postępy w tej dziedzinie mogą otworzyć drogę do kolejnych przełomowych odkryć w fizyce.
