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por Natalie Wolchover del Sitio Web QuantaMagazine
traducción de
Adela Kaufmann
- un objeto teórico que se mueve en un patrón repetitivo, sin usar energía -
dentro de un dispositivo llamado una trampa de iones.
Una teoría radical prediciendo la existencia de "cristales de tiempo" - objetos de movimiento perpetuo que rompen la simetría del tiempo - está siendo puesta a prueba...
En febrero de 2012, el físico Frank Wilczek, ganador del Premio Nobel, decidió hacer pública una idea extraña y, le preocupaba que era algo embarazosa.
Por imposible que pareciera, Wilczek había desarrollado una prueba aparente de "cristales de tiempo": estructuras físicas que se mueven en un patrón repetitivo, como agujas diminutas que redondean los relojes, sin gastar energía ni disminuir su velocidad.
A diferencia de los relojes u otros objetos conocidos, los cristales de tiempo derivan su movimiento, no de la energía almacenada, sino de una ruptura en la simetría del tiempo, lo que permite una forma especial de movimiento perpetuo.
Esto, dijo, fue,
La idea de Wilczek se encontró con una respuesta muda de los físicos.
Aquí había un profesor brillante, conocido por desarrollar teorías exóticas que luego ingresaron a la corriente principal, incluida la existencia de partículas llamadas axiones y anyones, y el descubrimiento de una propiedad de las fuerzas nucleares conocida como libertad asintótica (por la cual compartió el Premio Nobel de Física en 2004).
Pero el movimiento perpetuo, considerado imposible por las leyes fundamentales de la física, era difícil de tragar.
¿Constituyó el trabajo un avance importante o una lógica defectuosa?
Jakub Zakrzewski, profesor de física y jefe de óptica atómica en la Universidad Jagellónica de Polonia, que escribió una perspectiva (Viewpoint - Crystals of Time) sobre la investigación que acompañó a la publicación de Wilczek, dice:
Ahora, un avance tecnológico ha hecho posible que los físicos prueben la idea.
Planean construir un cristal del tiempo, no con la esperanza de que este movimiento perpetuo generará una fuente inagotable de energía (como inventores se han esforzado en vano de hacer por más de mil años), pero que producirán una mejor teoría del tiempo propio.
Un concepto loco La idea se le ocurrió a Wilczek mientras preparaba una clase en el 2010.
Cuando la materia se cristaliza, sus átomos se organizan espontáneamente en filas, columnas y pilas de una red tridimensional.
Un átomo ocupa cada "punto de celosía", pero el equilibrio de fuerzas entre los átomos evita que habiten en el espacio intermedio. Debido a que los átomos de repente tienen un conjunto de opciones discretas, en lugar de continuas, de dónde existir, se dice que los cristales rompen la simetría espacial de la naturaleza, la regla usual de que todos los lugares en el espacio son equivalentes.
Pero ¿qué pasa con la simetría temporal de la naturaleza, la regla de que los objetos estables permanecen igual a lo largo del tiempo?
El físico ganador del Premio Nobel Frank Wilczek a menudo desarrolla teorías extravagantes que finalmente entran en la corriente principal.
"Por supuesto que no todo lo que hago funciona", dice.
Wilczek reflexionó sobre la posibilidad durante meses.
Eventualmente, sus ecuaciones indicaron que los átomos podrían, de hecho, formar una red regularmente en el tiempo, volviendo a su disposición inicial solo después de intervalos discretos (en lugar de continuos), rompiendo así la simetría del tiempo.
Sin consumir ni producir energía, los cristales de tiempo serían estables, en lo que los físicos llaman su "estado fundamental", a pesar de las variaciones cíclicas en la estructura que los científicos dicen que pueden interpretarse como movimiento perpetuo.
¿Cómo puede algo moverse, y seguir moviéndose para siempre, sin gastar energía? Parecía una idea absurda, una ruptura importante con las leyes aceptadas de la física.
Pero los artículos de Wilczek sobre Quantum Time Crystals y Classical Time Crystals (este último co-escrito por Alfred Shapere de la Universidad de Kentucky) sobrevivieron a un panel de revisores expertos y se publicaron en Physical Review Letters en octubre de 2012.
Wilczek no pretendía saber si los objetos que rompen la simetría del tiempo existen en la naturaleza, pero quería que los experimentadores intentaran hacer uno.
La gran prueba En junio, un grupo de físicos liderados por Xiang Zhang, un nano-ingeniero en Berkeley, y Tongcang Li, un físico e investigador postdoctoral en el grupo de Zhang, propusieron crear un cristal de tiempo en forma de un anillo de carga persistente. átomos, o iones.
(Li dijo que había estado contemplando la idea antes de leer los artículos de Wilczek).
El artículo del grupo (Space-Time Crystals of Trapped Ions) fue publicado con Wilczek's en Physical Review Letters.
Bruno piensa que Wilczek y su compañía identificaron erróneamente el comportamiento dependiente del tiempo de los objetos en estados energéticos excitados, en lugar de sus estados fundamentales. No hay nada sorprendente en que los objetos con energía excedente se muevan de manera cíclica, con el movimiento decayendo a medida que la energía se disipa.
Para
ser un cristal de tiempo, un objeto debe exhibir un movimiento
perpetuo en su estado fundamental.
Wilczek dijo que aunque el ejemplo no es un cristal de tiempo, no cree que el error,
El debate probablemente no se resolverá sobre bases teóricas.
Un equipo internacional liderado por científicos de Berkeley está preparando un elaborado experimento de laboratorio, aunque puede tomar,
... para completar, dependiendo de la financiación o dificultades técnicas imprevistas, dijo Hartmut Häffner, quien es co-investigador principal con Zhang.
La esperanza es que los cristales del tiempo empujen a la física más allá de las leyes precisas, pero aparentemente imperfectas de la mecánica quántica y guíen el camino hacia una teoría más grandiosa.
Construir un anillo de iones En la teoría de la relatividad general de Albert Einstein (el cuerpo de leyes que gobiernan la gravedad y la estructura a gran escala del universo), las dimensiones del tiempo y el espacio se entrelazan en el mismo tejido, conocido como espacio. tiempo.
Pero en la mecánica quántica (las leyes que gobiernan las interacciones en la escala subatómica), la dimensión temporal se representa de una manera diferente a las tres dimensiones del espacio.
Los diferentes tratamientos del tiempo pueden ser una fuente de incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica quántica, al menos uno sea modificado para que exista una teoría de la gravedad quántica que abarque todo (considerada como un objetivo importante de la física teórica).
¿Qué concepto de tiempo es el correcto?
Si los cristales de tiempo son capaces de romper la simetría de tiempo de la misma manera que los cristales convencionales rompen la simetría de espacio,
Esto sugeriría que la mecánica quántica es inadecuada y que una mejor teoría quántica podría tratar el tiempo y el espacio como dos hilos del mismo tejido.
del experimento de cristal de tiempo planeado en la UC-Berkeley. Se utilizarán campos eléctricos para corral iones de calcio en una "trampa" de 100 micrones de ancho donde formarán un anillo cristalino. Los científicos creen que un campo magnético estático
hará que el anillo gire.
El equipo dirigido por Berkeley intentará construir un cristal de tiempo inyectando 100 iones de calcio en una pequeña cámara rodeada de electrodos.
El campo eléctrico generado por los electrodos acorralará los iones en una "trampa" de 100 micrones de ancho, o aproximadamente el ancho de un cabello humano. Los científicos deben calibrar con precisión los electrodos para suavizar el campo.
Debido a que las cargas similares se repelen, los iones se
espaciarán de manera uniforme alrededor del borde exterior de la
trampa, formando un anillo cristalino.
Según los cálculos del grupo, el anillo iónico debería asentarse en su estado fundamental cuando los iones se enfrían con láser hasta aproximadamente una mil millonésima parte de un grado por encima del cero absoluto.
El acceso a este régimen de temperatura había sido obstruido durante mucho tiempo por el calor de fondo que emanaba de los electrodos de la trampa, pero en septiembre, una técnica innovadora para limpiar los contaminantes de la superficie de los electrodos permitió una reducción de 100 veces en el calor de fondo de la trampa de iones.
A continuación, los investigadores activarán un campo magnético estático en la trampa, que según su teoría debería inducir a los iones a comenzar a girar (y seguir haciéndolo indefinidamente).
Si
todo va según lo planeado, los iones se desplazarán a su punto de
inicio a intervalos fijos, formando una red que se repite
regularmente en el tiempo que rompe la simetría temporal.
Permanecerá brillante (y revelará su nueva ubicación) cuando los
otros sean oscurecidos por un segundo láser.
Hasta que eso suceda, algunos físicos se mantendrán profundamente escépticos.
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