Några av de mest djupgående förutsägelserna inom teoretisk fysik, såsom Einsteins gravitationella vågor eller Higgs boson, har tagit decennier att bevisa med experiment. Men då och då, en förutsägelse kan bli ett fastställt faktum på en förvånansvärt kort tid. Detta är vad som hände med "tidskristaller", ett nytt och märkligt tillstånd av teorin, motbevisat, renoverades och slutligen skapades på bara fem år sedan den förutspåddes första gången 2012.

Kristaller, som diamant och kvarts, är gjorda av atomer arrangerade i ett upprepande mönster i rymden. I dessa nya kristaller, atomer följer också ett upprepande mönster, men i tid. På grund av denna konstiga egendom, tidskristaller kan en dag hitta applikationer inom revolutionerande teknik som kvantberäkning.

Historien om tidskristaller börjar 2012 med Nobelprisvinnaren Frank Wilczek från MIT. Som teoretisk fysiker och matematiker, Wilczek gjorde ett avgörande steg för att överföra en nyckelegenskap hos vanliga kristaller - kallad symmetribrytning - för att skapa idén om tidskristaller.

För att förstå vad symmetri bryter är, tänk på flytande vatten. I en vattendroppe, molekyler är fria att röra sig och kan vara var som helst i vätskan. Vätskan ser likadan ut i alla riktningar, vilket betyder att den har en hög grad av symmetri. Om vattnet fryser för att bilda is, attraktiva krafter mellan molekylerna tvingar dem att ordna om till en kristall, där molekyler är åtskilda med jämna mellanrum. Men denna regelbundenhet innebär att kristallen inte är lika symmetrisk som vätskan, så vi säger att vätskans symmetri har brutits vid frysning till is.

Symmetribrytning är ett av de mest djupgående begreppen inom fysik. Det ligger bakom kristallbildning, men förekommer också i många andra grundläggande processer. Till exempel, den berömda Higgs -mekanismen, som förklarar hur subatomära partiklar kommer att få massa, är en symmetribrytande process.

Tillbaka 2012, Wilczek kom på en lockande idé. Han undrade om, på samma sätt som en kristall bryter symmetri i rymden, det skulle vara möjligt att skapa en kristall som bryter en ekvivalent symmetri i tid. Detta var första gången tanken på en tidskristall teoretiserades.

Ett sådant föremål skulle ha en egen tidsregularitet, motsvarar kristallens vanliga mönster i rymden. För en tid kristall, mönstret skulle vara en kontinuerlig förändring fram och tillbaka i en av dess fysiska egenskaper, ett slags hjärtslag som upprepas för alltid, lite som en evig rörelsemaskin.

Perpetual motion -maskiner, som är maskiner som kan fungera på obestämd tid utan energikälla, är förbjudna enligt fysikens lagar. Wilczek insåg denna konstighet i sin tidskristallteori och, 2015, en annan grupp av teoretiska fysiker visade att en evig rörelsekristall verkligen skulle vara omöjlig.

Men detta var inte slutet på historien. 2016, ny forskning visade att tidskristaller fortfarande kunde existera i teorin, men bara om det fanns någon extern drivkraft. Tanken var att tiden på ett eller annat sätt skulle vara vilande, dold från syn, och att lägga till lite energi skulle väcka det till liv och avslöja det. Detta löste paradoxen för evig rörelse, och gav nya förhoppningar om förekomsten av tidskristaller.

Sedan, sommaren 2016, villkoren för att skapa och observera tidskristaller fastställdes i en artikel i arXiv -arkivet online, och senare publicerad i den granskade tidskriften Physical Review Letters. Forskarna studerade hur en speciell egenskap hos partiklar som kallas kvantspinn upprepade gånger kunde vändas av en yttre kraft med jämna mellanrum. De förutspådde att om de gjorde detta mot en uppsättning partiklar, interaktionerna mellan partiklarna skulle producera sina egna svängningar i snurrningen, skapa en "driven" tidskristall.

På några månader, två olika experimentella grupper hade tagit sig an utmaningen att skapa tidskristaller i laboratoriet. Ett av lagen avfyrade laserpulser mot ett tåg av ytterbiumatomer som gav svängningar i atomernas egenskaper, med olika intervall från pulserna. Detta innebar att ytterbiumatomerna betedde sig som en tidskristall.

Det andra laget fokuserade på ett helt annat system, bestående av föroreningar i en diamantkristall. De använde mikrovågor för att störa föroreningarna med väl definierade intervall, och observerade samma typ av tidskristalloscillationer som det första laget. Äntligen, tidskristaller hade skapats och Wilczeks huvudidéer visat sig vara sanna.

Crystal framtid

Förutsägelsen, förverkligande och upptäckt av tidskristaller öppnar ett nytt kapitel i kvantmekanik, med frågor om egenskaperna hos detta nyfunna tillstånd av materia och om tidskristaller kan förekomma i naturen.

De vanliga kristallernas symmetribrytande egenskaper har lett till skapandet av fononiska och fotoniska metamaterial, medvetet designade material som selektivt styr akustiska vibrationer och ljus som kan användas för att öka prestandan hos proteser, eller för att öka effektiviteten hos lasrar och fiberoptik. Så tidssymmetribrytande egenskaper hos tidskristaller kommer sannolikt att hitta in i lika nya fält, såsom chrono-metamaterial för kvantberäkning, som använder atoms inneboende egenskaper för att lagra och bearbeta data.

Historien om tidskristaller började med en vacker idé av en teoretisk fysiker, och har nu kulminerat sitt första kapitel med avgörande experimentella bevis efter bara fem år. Långt ifrån att ta slut när forskare bevisar sina stora teorier, det verkar som att fysiken är mer levande än någonsin.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.