Fysiker i Darmstadt undersöker åldringsprocesser i material. För första gången har de mätt tickandet av en intern klocka i glas. När de utvärderade uppgifterna upptäckte de ett överraskande fenomen.
Vi upplever att tiden bara har en riktning. Vem har någonsin sett en kopp krossas på golvet, för att sedan spontant återmontera sig själv? För fysiker är detta inte direkt självklart eftersom formlerna som beskriver rörelser gäller oavsett tidsriktning.
En video av en pendel som svänger obehindrat, till exempel, skulle se precis likadan ut om den körde bakåt. Den vardagliga oåterkallelighet vi upplever kommer bara in genom ytterligare en naturlag, termodynamikens andra lag. Detta säger att störningen i ett system växer konstant. Om den krossade koppen skulle återmontera sig själv, skulle dock störningen minska.
Du kanske tror att åldrandet av material är lika irreversibelt som att krossa ett glas. Men när man undersöker molekylers rörelser i glas eller plast har fysiker från Darmstadt nu upptäckt att dessa rörelser är tidsreversibla om de ses ur ett visst perspektiv.
Teamet under ledning av Till Böhmer vid Institute for Condensed Matter Physics vid Darmstadts tekniska universitet har publicerat sina resultat i Nature Physics .
Glas eller plast består av en härva av molekyler. Partiklarna är i konstant rörelse, vilket får dem att glida in i nya positioner om och om igen. De söker permanent efter ett mer gynnsamt energitillstånd, vilket förändrar materialegenskaperna över tiden – glaset åldras.
I användbara material som fönsterglas kan detta dock ta miljarder år. Åldringsprocessen kan beskrivas med vad som kallas "den materiella tiden". Föreställ dig det så här:materialet har en intern klocka som tickar annorlunda än klockan på labbväggen. Materialtiden tickar med olika hastighet beroende på hur snabbt molekylerna i materialet omorganiseras.
Sedan konceptet upptäcktes för cirka 50 år sedan har ingen lyckats mäta materiell tid. Nu har forskarna i Darmstadt under ledning av prof. Thomas Blochowicz gjort det för första gången.
"Det var en enorm experimentell utmaning", säger Böhmer. De små fluktuationerna i molekylerna måste dokumenteras med hjälp av en ultrakänslig videokamera. "Du kan inte bara se hur molekylerna vickar runt", tillägger Blochowicz.
Ändå märkte forskarna något. De riktade en laser mot provet av glas. Molekylerna i den sprider ljuset. De spridda strålarna överlappar varandra och bildar ett kaotiskt mönster av ljusa och mörka fläckar på kamerans sensor. Statistiska metoder kan användas för att beräkna hur fluktuationerna varierar över tiden – med andra ord hur snabbt materialets interna klocka tickar. "Detta kräver extremt exakta mätningar som bara var möjliga med toppmoderna videokameror", säger Blochowicz.
Men det var värt det. Den statistiska analysen av de molekylära fluktuationerna, som forskare från Roskilde Universitet i Danmark hjälpte till med, avslöjade några överraskande resultat. När det gäller materialtid är molekylernas fluktuationer tidsreversibla. Det betyder att de inte ändras om materialtiden tillåts ticka bakåt, liknande videon av pendeln, som ser likadan ut när den spelas framåt och bakåt.
"Detta betyder dock inte att åldrandet av material kan vändas", betonar Böhmer. Snarare bekräftar resultatet att begreppet materiell tid är väl valt eftersom det uttrycker hela den irreversibla delen av materialets åldrande. Dess tickande förkroppsligar tidens gång för materialet i fråga.
Allt annat som rör sig i materialet i förhållande till denna tidsskala bidrar inte till åldrandet. Precis som, metaforiskt sett, barn som leker i baksätet på en bil inte bidrar till dess rörelse.
Darmstadtforskarna tror att detta generellt gäller oordnade material, eftersom de undersökte två materialklasser – glas och plast – och genomförde en datorsimulering av ett modellmaterial – med samma resultat.
Fysikernas framgång är bara början. "Detta lämnar oss med ett berg av obesvarade frågor", säger Blochowicz. Det återstår till exempel att klargöra i vilken utsträckning den observerade reversibiliteten i termer av materiell tid beror på reversibiliteten av de fysiska naturlagarna, eller hur den interna klockans tickande skiljer sig för olika material.
Forskarna är angelägna om att undersöka ytterligare, så fler spännande upptäckter kan ligga framför oss.
Mer information: Böhmer, T. et al, Tidsreversibilitet under åldring av material. Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02366-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av Technische Universitat Darmstadt
