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Physiker schlagen vor, einen Kristall aus Raum und Zeit zu bauen

2020

Eines der einfachsten und gebräuchlichsten physikalischen Objekte ist ein durchschnittlicher Kristall, eine Ansammlung von Atomen, die in einem geordneten, sich wiederholenden dreidimensionalen Muster angeordnet sind. Salz, Schneeflocken und der Quarz in Ihrer Uhr sind alles Kristalle. Anfang dieses Jahres schlug der Nobelpreisträger und MIT-Physiker Frank Wilczek vor, dass auch die vierte Dimension kristallisiert werden kann: Es kann Raum-Zeit-Kristalle geben. Und jetzt hat ein Team von Physikern einen Weg vorgeschlagen, einen zu bauen.

Das ist höchst seltsam, aber die Physik macht nach Wilczeks Theorie, die er bereits im Februar auf dem arXiv-Server veröffentlicht hat, Sinn. Ein Raumzeitkristall wäre einfach ein physikalisches Objekt, dessen regelmäßige, periodische Atome sich in einem regelmäßigen, periodischen Muster bewegen. Sie würden sich für immer ohne externen Input bewegen.

Ein grundlegender Zeitkristall könnte einfach eine kreisförmige Anordnung regelmäßig geordneter Atome sein, die sich in regelmäßigen Abständen an derselben Stelle bewegen. Nun haben Tongcang Li von der University of California-Berkeley und einige Kollegen ein solches System beschrieben.

Sie schlagen eine Wolke von Berylliumionen vor, die in einem elektromagnetischen Feld gefangen sind und die sie in ein kreisförmiges Muster zwingen. Die Ionen sind alle gleich geladen und stoßen sich so gegenseitig ab, dass sie sich natürlich im Gleichgewicht befinden. Das ist einfach genug.

Aber wenn Wilczeks Theorie richtig ist, würden sich diese hochorganisierten Atome auch bewegen, selbst wenn sie fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind. Das liegt daran, dass das Magnetfeld ihnen einen kleinen Schubs gibt und sie für immer in Bewegung setzt. Die Tatsache ihrer Rotation verleiht ihnen eine zeitliche Dimension.

Wilczek argumentiert, dass ein System in seinem niedrigsten Energiezustand, wahrscheinlich ein wenig über dem absoluten Nullpunkt, im Raum eingefroren wäre. Wenn es sich also bewegen würde, würde es die Zeitsymmetrie verletzen. Denken Sie zum Beispiel an einen Supraleiter, der auch in seinem kältesten, niedrigsten Energiezustand einen Strom führt. (Wilczeks Aufsatz behandelt auch das Zeitelement in einem quantenmechanischen System, das Sie dazu zwingt, über imaginäre Zeit oder iTime nachzudenken. Darauf gehen wir also nicht ein.) Er konnte einfach nicht feststellen, wie man ein solches System tatsächlich bauen könnte.

Die rotierenden Berylliumatome von Li et al. Würden sich für immer mit der gleichen Geschwindigkeit drehen, solange das elektromagnetische Feld, in dem sie schweben, noch vorhanden ist. Das klingt nach Perpetuum Mobile, ist aber keine Perpetuum Mobile- Maschine, da Sie von diesen Atomen keine Energieabgabe erhalten können - sie befinden sich bereits in den niedrigstmöglichen Energiezuständen.

Die praktischen Auswirkungen könnten sich auf bessere Uhren auswirken - ein sich ständig bewegendes, für immer regelmäßiges Muster wäre in der Tat ein sehr genauer Zeitmesser. Alles was Sie brauchen, ist eine wirklich gute Ionenfalle.

[über PhysOrg]

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