Tidskrystaller: Moderne fysikk møter Doctor Who

Krystaller, evig roterende i tid og rom. (Kilde: LBL)

Krystaller, evig roterende i tid og rom. (Kilde: LBL)

Krystaller og evighetsmaskiner: Ord som vanligvis bare hører sammen på den mer alternative siden av tankespekteret. I disse dager diskuterer likevel noen av verdens ledende fysikere nettopp dette – så krittet fyker. Temaet er tidskrystaller. Hva er det – og kan vi lage dem?

Krystaller i rom

Krystaller er kjente og kjære, og vi finner dem over alt i naturen – fra saltbøssa på kjøkkenbordet til diamanten i forlovelsesringen. I vitenskapen er et krystall «et solid stoff der atomene er ordnet periodisk i alle tre romlige dimensjoner» – eller med andre ord et jevnt, fint gitter. Gitteret kan være satt sammen av firkanter eller av en eller annen litt mer eksotisk form som heksagoner.

Noen typer krystaller. De er periodiske i romlige dimensjoner, men ikke helt symmetriske.

Noen typer krystaller. De er periodiske i romlige dimensjoner, men ikke helt symmetriske.

En ting som er litt spesielt med krystaller er at de ikke er symmetriske. Tenk deg at du tar en haug med løse atomer av natrium og klor, slenger i en pose og rister litt. Hva får du? Bare et salig kaos av uordnede atomer. Hvis du så ruller deg en snøball av dem så ser den stort sett lik ut uansett hvordan du snur og vender på posen – den er symmetrisk i alle tre romlige dimensjoner.

Men så kan det skje noe magisk (eller forsåvidt noe naturlig, men siden vi snakker om krystaller er det så nærliggende med magieksempler…). Plutselig kan natrium og klor bestemme seg for at de vil gruppere seg på en ordnet måte. De setter seg sammen i jevne, fine firkanter, annen hver i alle dimensjonene, slik at vi får et tredimensjonalt gitter. NaCl. Bordsalt. Det har vokst frem et krystall – og plutselig er ikke ting symmetriske lenger. Vi har fått et symmetribrudd, noe naturen normalt ikke driver med.

Grunnen til at dette kan skje er at det krever mindre energi for naturen å gruppere atomene på denne måten. Eller på enda mer mikroskopisk språk: Natrium har ett atom i sitt ytterste energiskall, mens klor mangler ett. Hvis atomene plasserer seg i et jevnt gitter kan de dele på elektronene på en slik måte at det kan sendes ut litt energi, omtrent som når en ball ruller ned i bunnen av en bakke. Der har den lavest energi – den er i grunntilstanden. Skal den opp derfra krever det et dytt. Skal atomene ut av gitteret igen kreves det energi.

Krystaller i rom og tid?

ae1b67956c3e0a9e

Tidskrystall – en roterende ring av atomer. (Kilde: LBL)

Krystaller i rom er godt kjente og ikke veldig mystiske lenger (ihvertfall ikke for forskere). Helt til høsten 2012, da et knippe forskere – med nobelprisvinner Frank Wilczek i spissen – foreslo noe nytt. Hva om krystaller kan finnes ikke bare i rom, men også i tid? Et tidskrystall? Det høres mer ut som en fra en Doctor Who-episode, men det er helt seriøst ment.

Tenk deg, i steden for et tredimensjonalt gitter, en ring av atomer. Den er i utgangspunktet ikke et krystall, bare en ring, men periodisk i to dimensjoner. Vi kan for eksempel legge tolv av dem etter hverandre, ett atom for hver time på en klokkeskive. Så lar vi ringen rotere – si f.eks. så fort at etter ett sekund har atomet som lå på klokken tolv flyttet seg til klokken ett, og så videre. Siden atomer er umulige å skille er ringen nå også periodisk i tid. Hvis vi tenker tiden som en akse oppover (se figuren) så utgjør plutselig systemet et krystall igjen – i tre dimensjoner, hvorav den ene er tid. Et tidskrystall, altså.

Ja vel, ja. Hva er vitsen? Og går det an? Ta det første først. For at dette skal være et ekte krystall må det være slik at det er periodisk i grunntillstanden – altså tilstanden med lavest mulig energi. Vi må dermed ha et system som vil gå rundt av seg selv – akkurat som natrium og klor helst vil forme saltkrystaller hvis de ligger i haug så vil et tidskrystall helst begynne å rotere hvis det ligger i ro. Per i dag vet vi ikke om noenting i naturen som oppfører seg sånn, så da er det jo gøy å se om det i det hele tatt går an?

Et tidskrystall, hvis det finnes, vil i såfall ligge der og rotere for evig og alltid – helt til noe eventuelt forstyrrer det. Dette høres ubehagelig mye ut som en evighetsmaskin, noe fysikere alle er enige om at ikke er mulig. Er det noe i sammenligningen? Ja og nei. Den vil være en «perpetuum mobile» i den forstand at den vil bevege seg jevnt og uavbrutt, men det vil aldri være mulig å hente arbeid eller energi ut fra den. Da stopper den så fort man prøver. En hockeypuck som sklir på en uendelig lang, friksjonsfri skøytebane er i såfall også en evighetsmaskin på samme måte, og kanskje ikke så veldig spennende…

Kvantetidskrystall? Kjør debatt!

Simulert lysspredning rundt et vanlig krystall. Datamodeller kan gi informasjon om krystallfenomener - kanskje også tidskrystaller? (Kilde: Zhong Ren/University of Chicago/Renz Research Inc)

Simulert lysspredning rundt et vanlig krystall. Datamodeller kan gi informasjon om krystallfenomener – kanskje også tidskrystaller? (Kilde: Zhong Ren/University of Chicago/Renz Research Inc)

For klassisk fysikk er det vanskelig å tenke seg hvordan et tidskrystall skal kunne lages. Det Frank Wilczec derimot viste i en artikkel i Physical Review Letters (PRL) i oktober 2012 var at i et kvantesystem finnes det muligheter. Han fant en spesiell løsning der atomer ligger i ring, slik vi brukte som eksempel over, og det går et magnetfelt gjennom ringen. I det tilfelle regnet han ut at tilstanden med lavest energi faktisk var en hvor ringen roterte – og at den kunne gå inn i en slik krystalltilstand av seg selv.

I en annen artikkel i samme utgave av PRL foreslo en eksperimentgruppe en måte å sjekke dette på, og antydet at de ville prøve å lage et tidskrystall. Det ville i så fall vært første gang verden har sett noe slik, og nok en super demonstrasjon på alle de merkelige tingene kvantefysikken kan gjøre.

…men bi litt. Wilczecs status som respektert nobelprisvinner har ikke hindret andre fysikere i å gå gjennom resultatene hans, og nylig ble det publisert nok en artikkel i PRL av en fysiker ved navn Patrick Bruno. Han tok for seg samme typen ring av atomer som Wilczec, og fant en annen, ikke-roterende tilstand med enda lavere energi. Den var med andre ord ikke et tidskrystall likevel.

Dette beviser jo imidlertid ikke at sånt ikke kan finnes – bare at man må prøve et annet eksempel. Ofte er det sånn at når en ide først har dukket opp og andre begynne å tygge på den så kommer det nye vinklinger og forslag rennende ganske raskt.

Og midt oppe i alt dette jobber minst en gruppe eksperimentalister, kanskje flere, med å lage tidskrystaller i laboratoriet. En gruppe i Polen har også sagt at de prøver å lage dem i detaljerte numeriske simuleringer.

Fysikere kan med andre ord være i ferd med å lage tidskrystaller, som er ringer av atomer som roterer evig og av seg selv. Enn så lenge vet vi ikke engang om det er mulig. Hva er de godt for? Det vet vi heller ikke – men de høres litt kule ut, ikke sant? Noen som vil vedde om hvorvidt de vil dukke opp i neste sesong av Doctor Who?

Referanser:
http://physics.aps.org/articles/v6/31
http://physics.aps.org/articles/v5/116
(Dette er PRLs egne beskrivelser av Wilczec og Brunos artikler, med lenker til originalene – vel verdt å lese.)

One comment

  1. Carbomontanus · april 14, 2013

    Samset

    Skavvissesann, nå må jeg vel ha tenkt nok, men nå må du se å skaffe deg andre deltagere også her. Det later til at jeg har en generelt sterkere trening i å se det også i lys av de experimentale og nære ting der hvor vi kan se at fysikken eller iallefall snurten av den gjelder også i praksis.

    Det var en forsker som het Nils Skogen på Fysisk, som oppdaget de omvendte bobbler. Som fikk et kvad til sin heder:

    Du Nils, du gjeng der og grubblar,
    yvi dei umvende bubblar,
    SANN!

    I etterladenskapene hans i skapet fant jeg en filmrull visende et vannfat og en snabel ned i der som boblet bobler av konstant størrelse. Disse fløt opp på vannspeilet og ordnet seg i meget store og hexagonalt pakkede, feilfrie mønstere. Og det var filmet så vi kunne se det sa svupp svupp når de større krystallfeilene falt ihop og forsvant helt. Det samme kan gjøres med blyhaggel på et brett, men da må man gjøre det slik at de ruller ihop av tyngdekraften. For boblenes vedkommende så er det det samme som for krystallene, materiens klebe- krefter lim- krefter, van der Waals- kreftene.

    Og dette skjønner sikkert Samset. Det er overflatespeningen theta for tension, som ganger med en linje gir en kraft. Og når den krafta virker sideveis i en flate så blir det kraft ganger vei som er energi. Og således har det seg at en såpehinne eller overflatehinne er rett proposjonal med en energi, og den minimale overlate er et energi- minimum. Og en mulig stabil tilstand og likevekt. Derfor er såpeboblene runde. Det minimale overflatehinne- areal i et slikt bobleystem er da at det er hexagonalt pakket, når alle boblene er like store. Og dette faller tilrette og ihop av seg selv og behøver ikke ryddes og ordnes av mennesker.

    Så må vi nevne at van der Waals- kreftene er av elektromagnetisk natur og ulikt Newtonsk gravitasjon og at de avtar i rommet med sjette potens av avstanden. Slå den! For r^6 er noe så fint som rommets kvadratur eller kvadratliteren! Det er rommet ganger rommet, under brøkstreken. Og det er dette som holder både vannet og snekrystallene og saltet og fjellet isammen og ihop. Uten klabbeføre i universet, ingen stjernedannelse kan vi trygt si, for det ville bare prelle av elastisk og forbli et CHAOS, en Gass.

    Så kan vi se på krystallene.

    Boblene til Skogen var kunstig laget likesom blyhaggel av meget jevn størrelse, men ved skabelsen eller fra Naturens side så foreligger dette for de aller fleste ting nemlig som atomene, bare det er smått nok og helt uten menneskelig hjelp. Dette er et stort mysterium. Men sånn er det i praksis.

    Så er Na+ atomene noe mindre enn Cl-atomene (jeg regner personlig alt sånt for å være molekyler selvom det bare har en atomkjerne og selvom det er elektrisk ladd.) og da er tetteste pakning heller en kube, som for krystallisert NaCl i jonegitter. det holdes elektrostatisk og elektromagnetisk ihop av van der Waals- krefter.

    Neste salt er det paralelle, Kalium- jodid. Begge joner er større enn både Natrium og Klorid.

    Det viste geologene i et ganske sublimt forsøk på forskningsfestivalen. KI kan krystallisere kubisk som NaCl, men ved å endre temperaturen og tilsette Pb++ i ppm- mengder, kunne de endre betingelsene så kubene får brutte hjørner og går suksessivt kontinuerlig over i å være octaedere.

    Slå den, Samset. Det kaller jeg Science på¨sitt aller beste.

    For vi kan enkelt forklare det. Det berømte, tungtløselige stoffet bly- jodid løses i kokende vann og felles derfra ved avkjøling som gult glitter. Så ved å influere og hemme på affiniteten og aktiviteten av jodid med Pb++ i ppm- mengder, så kunne de fin- regulere brutte hjørner på kubene og regulere det helt over i å være octaedere.

    Dette må geologene vite for å diskutere fjell.

    Så er det kommet en nobelpris i kjemi for noen år siden av en Egypter.

    Han hadde funnet at når det går et Na+ eller Cl- atom fra eller til på et saltkrystall, så sitter det og vibrerer på en IR- frekvens, og når vibrasjonsamplityden øker , så ryker plutselig bindingen i form av et elektro- magnetisk bølge- brudd (jeg gjentar…) eller den ryker ikke men faller mer til ro igjen, TERTIVM NON DATVR!. Og han kunne med IR- laser vise at man kan stimulere slike løsnings- brudd. Hvilket er meget grunnleggende for all kjemisk bindingsteori.

    Kronprinsessan Victoria, fikk seg dette forklart og hun forsto dette, og var helt fascinert av dette.

    Hvor er vi hen da Samset?

    Jo jeg mener at da har jeg funnet opp Tidskrystallene allerede for dette repeterer seg jo bortover i tiden også, ikke bare i rommet, og affiserer og kobler materien i rommet mulig coherent og med lyshastighet. (det går vel med elektrisk ledningshastighet omtrent?) Nota bene så går det også gjennom Kvadratliteren, og da bør man være fornøyd. Syns du ikke det da, Samset?

    Men det er mulig de har noe ekstra som de kan finne nede ved 10E-9 K også, men det virker jo allerede i rommet og i havet og i reagensglasset. Det er coherente svingninger og materiebølger. Man behøver ikke tenke seg perpetuum mobile hvis man bare kan tillate seg å ha power eller driver eller lyse på det eller fyre under.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter-bilde

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+-bilde

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s