Kaikista tieteiskirjallisuuden esille tuomista asioista viime vuosina, mikään ei tunnu niin mystiseltä kuin aikakiteet. Nimi herättää mielikuvia jotain Paluu tulevaisuuteen ja Donnie Darkon väliltä. Ja todellisuus on mahdollisesti vieläkin hullumpi.
Kaksi erillistä tieteilijöiden ryhmää on raportoinut havainneensa aikakiteitä, jotka antavat tukea idealle siitä, että tämä materian teoreettinen tila on jotain mitä ihmiset voivat itse asiassa luoda ja havaita. Ja todellakin, aikakiteitä voidaan kasvattaa vaikka lasten makuuhuoneessa.
Mutta siihen vaaditaan ydinteknologisa sensorita ja lasereita, jotta aikakiteet pääsisivät täyteen potentiaaliinsa ja sitten niitä voitaisiin mitata ja havainnoida. Tämä dramaattisten tieteellisten termien ja yksinkertaisten kappaleiden yhdistelmä on hieno analogia aikakristalleista kokonaisuutena.
Mitä ovat aikakiteet?
Aikakiteet ovat atomijärjestelmiä, jotka järjestävät itse itsensä ajassa samalla tavalla kuin perinteiset kiinteät aineet järjestäytyvät tilassa. Jos aivot eivät vielä taivu tämän käsitteen ympärille, kaksi tiederyhmää oli luonut radikaalisti erilaisia rakenteita, jotka molemmat menevät “aikakide”-nimikkeen alle.
Nämä atomirakennelmat eivät ole aikamatkaajien portaaleja tai äärettömiä Rube Goldberg -koneita, vaan sen sijaan kokonainen materian uudenlainen tila. Ne eivät riipu perinteisistä kiinteistä aineista, nesteistä tai kaasuista, joista tunnettu universumimme koostuu.
MIT: teoreettinen fyysikko Frank Wilczek ensimmäisenä ehdotti ideaa aikakiteistä vuonna 2012, että aineen uusia tiloja saattaisi syntyä muuttamalla ominaisuuksia pikemminkin ajan suhteen kuin paikan suhteen. Alle kuusi vuotta tämän jälkeen kaksi tiederyhmää ovat luoneet kiteitä, jotka tuntuvat omaavan samanlaisia ominaisuuksia kuin hänen ehdotuksellaan.
No mitä hittoa se edes meinaa?
Fysiikan lait pyörivät symmetrioiden ympärillä. Ne ovat hetkiä jolloin voima saa aikaan vastavoiman, huolimatta ympäristöstä. Tämä newtonilaisen fysiikan peruslaki on se miten me havaitsemme universumimme. Palava puu saa aikaan lämpöä suhteessa palaneen massan määrään, pallo kimpoaa seinästä samalla voimalla kuin se osui siihen — miinus hukkaenergia, joka voidaan mitata lämpönä.
Wilczek pohti voisivatko hajoavat molekyylit rikkoa ajan symmetrian, mikä on yksi kiteiden syntymisestä vastuussa oleva laki. Perinteiset kiteet kuten suola tai kvartsi ovat kolmiulotteisia, tilaan järjestäytyneitä kiteitä. Niiden atomit on järjestäytyneet arvattavaksi, toistuvaksi järjestelmäksi.
Aikakiteet, toisaalta, ovat atomitasolla erilaisia. Niiden atomit pyörivät periodisesti, muuttaen suuntaansa kun jokin sykkivä voima kääntää suunnan. Aikakiteet varsin kirjaimellisesti “tikittävät” kuten vanha kaappikello, ja niiden atomit vaihtavat suuntaansa jatkuvassa, periodisessa tahdissa.
Mutta se ei ole se syy miksi näillä on aikaan viittaava nimensä. Nimi tulee siitä että aikakiteiden atomirakenne toistuu ajassa, minkä takia ne näyttävät oskilloivan tietyissä taajuuksissa. Aikakiteet eivät koskaan löydä tasapainoa siten kuin timantit tai rubiinit, joten nitä pidetään yhtenä esimerkkinä epätasapainotilassa olevasta aineesta.
Aikakiteet oikeassa elämässä
Mietit ehkä sitä miltä aikakiteet näyttävät, oletko nähnyt sellaista oikeasti, ja mitä hyötyä sellaisista edes on. Kaikkein tärkein asia ymmärtää on, että aikakiteet ovat olemassa ainoastaan laboratorio-olosuhteissa, erityisesti kun niille pitää antaa pientä avustusta niiden oskillaation käyntiin saattamiseksi.
Kun ne oskilloivat, aikakiteet värähtelevät ikuisesti. Harvardin ryhmä tuotti kiteen, joka aktivoinnin jälkeen hehkui johtuen sen periodisesta energian kaiusta.
Yalen tiimi löysi aikakiteet yllättävästä materiasta — monoammoniumfosfaattikiteet (MAP). Nämä ovat uskomattoman helppoja kasvattaa, ja niitä on usein mukana lasten kasvata-oma-kide -pakkauksissa.
Opiskelijalla oli MAP-kiteitä laboratoriossa eri kokeissa, kun aikakidetiimi päätti tarkastella diskreetin aikakiteen tunnistejälkeä käyttäen ydinmagneettista resonanssia. Yalen tutkija Sean Barrett summasi ironisesti, “Tuloksemme viittaavat siihen, että DTC:n jälki saattaa löytyä, periaatteessa, tutkimalla lasten kiteiden kasvatussarjaa.”
Aikakiteiden löytäminen yksinkertaisesta ja erittäin yllättävästä paikasta herättää kysymyksen siitä miten aikakiteet muodostuvat ja minkälaisia materian muotoja saattaa olla olemassa ajassa olemassaolevassa materiassa. Materian faasien laajuus ja rikkaus universumissa on ilmeisesti suurempi kuin me olimme aiemmin ymmärtäneet.
Ja nämä faasit, jotka eivät välttämättä ole havaittavissa perinteisillä viidellä aistilla mutta ovat järkyttävän selviä kun niitä mitataan käyttäen atomien oskillaatioita mittaavia laitteita, saattavat olla paljon yleisempi kuin Wilczek oli koskaan kuvitellutkaan teoriaa esittäessään.
Ampumalla laser- tai mikroaaltopulsseja kiinteiltä näyttäviin kappaleisiin saatamme havaita nämä jatkuvat oskillaatiot atomimateriassa läpi koko universumin, ja jotkut aikakidemuodostelmat voivat helposti olla dramaattisempia kuin tähän mennessä havaitut.
Tulevaisuuden sovellutukset
Tieteentekijät uskovat ymmärtävänsä aikakiteitä ja muokkaamalla ymmärrystämme niistä saatamme mahdollistaa läpimurron atomikellojen, gyroskooppien ja magnetometrien voimassa ja tarkkuudessa, sekä kehittää paremmaksi kvanttiteknologioita.
Lupaus vakaiden kvanttijärjestelmien käyttämisestä paljon korkeammissa käyttölämpötiloissa mihin me nykyään kykenemme saattaa olla viimeinen pusku mikä tarvitaan kvanttitietokonetodellisuuteen — mikä on tosi iso juttu. USA:n puolustusministeriö on ilmoittanut rahoitusohjelmasta jolla tutkia aikakiteiden potentiaalisia käyttökohteita, nyt kun kvanttilaskenta siintää tietokoneajan teknologiahorisontissa.
Aikakiteiden löytäminen vaatii myös joidenkin olemassaolevien teorioiden uudelleenarvioimista, sillä ne tuntuvat viittaavan siihen että on olemassa aineen faaseja, jotka ovat tämän hetken ymmärryksen tuolla puolen. Aikakiteille on joitain käyttökohteita, jotka ovat paljon enemmän tieteiskirjallisuutta kuin niiden nimi antaa ymmärtää, mutta toisin kuin monet futuristiselta kuulostavat läpimurrot, aikakiteet ovat jo olemassa enemmän kuin yhdessä olomuodossa ja niiden olemassaolo on vahvistettu usean eri yliopiston tekemissä vertaisarvioiduissa tutkimuksissa.
Johtopäätös
Kyllä, aikakiteet kuulostavat tieteiskirjallisuudelta. Mutta mitä enemmän me ymmärrämme sitä miten ne toimivat, sitä enemmän me alamme ymmärtää sitä miten paljon potentiaalia niillä on.
Kun mikrosiruun mahtuvien transistorien määrät alkavat tulla vastaan, aikakiteet voivat olla ratkaisu, joka avaa suunnan radikaalisti uudenlaiseen tieteelliseen laskentaan.
Selvää on, että mitä enemmän me katsomme ajan “kristallipalloon”, sitä lupaavammalta tulevaisuus näyttää.
Lähteitä
- https://gizmodo.com/scientists-finally-observed-time-crystals-but-what-the-1793061377
- https://news.yale.edu/2018/05/02/yale-physicists-find-signs-time-crystal
- https://physics.aps.org/articles/v10/5
- https://www.sciencealert.com/it-s-official-time-crystals-are-a-new-crazy-state-of-matter-and-now-we-can-create-them
- http://news.berkeley.edu/2017/01/26/scientists-unveil-new-form-of-matter-time-crystals/
- https://www.technologyreview.com/s/602541/physicists-create-worlds-first-time-crystal/
- https://www.sciencealert.com/physicists-just-created-the-world-s-first-time-crystal
- https://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals
- https://www.eurekalert.org/pub_releases/2017-01/uoc–sun012617.php
- https://physics.illinois.edu/news/article/24114
Artikkelin julkaissut IQS Directory
