Nobelprismodtager: »Tidskrystaller minder faretruende meget om evighedsmaskiner«

Nobelprismodtageren Frank Wilczek har udviklet en teori for tidskrystaller. Andre forskere har nu anvist, hvordan disse kan realiseres.

Berylliumioner fanget i et cirkulært formet elektrisk felt vil under påtrykning af et svagt magnetisk felt generere en form for evig bevægelse.

»Systemet minder faretruende meget om en evighedsmaskine. Noget som er lidt farligt at sige for en enhver velanskreven fysiker,« siger nobelpristageren Frank Wilczek fra Massachusetts Institute of Technology i USA, som står bag en ny teori for såkaldte tidskrystaller.

Han pointerer dog, at tidskrystaller til trods for, at de er i evig bevægelse, befinder sig i den laveste mulige energitilstand. Derfor kan de ikke udføre et arbejde og er ikke i strid med termodynamikkens love.

Den øverste figur illustrerer en struktur, der både udgør en rumlig krystal og en tidskrystal, når den roterer. Den nederste figur illustrerer et forslag til en tidskrystal i praksis, hvor berylliumioner (blå) er indfanget i en cirkulær struktur. Når der påtrykkes et svagt magnetfelt (B), vil ringen rotere og udgøre en tidskrystal. (Grafik: University of California, Berkeley).

Frank Wilczek, som er nobelprismodtager i 2004 for opdagelser vedrørende den stærke kernekraft, underviste på et tidspunkt studerende i 3D-krystaller, hvor tredimensionale rumlige strukturer gentager sig selv.

Det fik ham til at tænke over, om det også er muligt at have krystallignende strukturer i den fjerde dimension: tiden.

Sammen med sin kollega Alfred Shapere fra University of Kentucky har han nu vist, at det principielt er muligt og beskrevet den grundlæggende teori herfor i to artikler i den seneste udgave af Physical Review Letters.

En gruppe forskere fra University of California, Berkeley ledet af Xiang Zhang har i samme udgave af tidsskriftet anvist et konkret forslag til, hvordan en tidskrystal kan realiseres i form af berylliumioner under påvirkning af elektriske og magnetiske felter.

****## Krystaller er eksemplet på symmetribrud
Xiang Zhang mener, at tidskrystaller kan give anledning til en bedre forståelse af fundamentale fysiske fænomener som symmetribrud, som spiller en central rolle inden for den fundamentale fysik bl.a. i forbindelse med Higgs-feltet og Higgs-partiklen.

Krystaller udgør i sig selv et eksempel på et symmetribrud.

Fysikkens love siger, at der fundamentalt gælder en form for kontinuert translatorisk symmetri.

Denne symmetri er i krystaller erstattet af en diskret translatorisk symmetri, der fastlægges af krystalgitteret, hvor det er kampen mellem tiltrækkende kræfter og frastødende kræfter, der bestemmer, hvordan atomerne er placeret.

Frank Wilczek beskriver i øvrigt krystaller som en sejr for energi over entropi ved lave temperaturer. For ved høje temperaturer kan atomerne i en krystal eksistere i mange flere uordnede tilstande end ordnede tilstande, og det vil bevirke, at materialet smelter.

****## Superleder og lasere minder lidt om tidskrystaller
En tidskrystal er en krystal, som tidsmæssigt bevæger sig fra en tilstand til anden og vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Der kendes ingen sådanne systemer i naturen.

Wilczek har sammen med Shapere udviklet en teori for tidskrystaller både efter den klassiske fysiks regler og kvantemekanikkens regler, og i dette tilfælde er det faktisk kvanteteorien, der er mest enkel.

Inden for kvantemekanikken findes flere eksempler på systemer, der roterer eller oscillerer i den laveste energitilstand.

Det gælder elektroner i superledende ringe og kontinuerte laser, hvor amplituden af det elektriske felt oscillerer med en veldefineret fase.

Men både superledere og lasere mangler en væsentlig egenskab for at være tidskrystaller. Den superledende strøm og laserens intensitet varierer ikke periodisk med tiden, men er konstant. Derfor er den translatoriske symmetri af tiden ikke brudt.

Frank Wilczek viser dog gennem en matematisk analyse, at det er principielt muligt at have tidskrystaller - uden dog at anvise en konkret metode til, hvordan det skal gøres.

****## Et praktisk koncept for tidskrystaller
Xiang Zhang fra University of California, Berkeley har haft kendskab til Wilczeks teori, inden den blev publiceret i Physical Review Letters.

Derfor har hans forskergruppe været i stand til at komme frem med et helt konkret forslag til, hvordan en tidskrystal kan realiseres. Dette har de indgående beskrevet i en artikel, der er offentliggjort i samme udgave af Physical Review Letters, som også indeholder artiklerne fra Wilczek og Shapere.

Zhang og co. betragter berylliumioner, som er fanget i et ringformet elektrisk potentiale ved en temperatur på nogle få nanokelvin.

Som følge af den elektriske frastødning mellem ionerne, vil de placere sig periodisk i rummet og udgøre en ringformet krystal. Sådanne strukturer har for mange år siden været studeret i praksis af den ene af dette års nobelpristagere i fysik, David Wineland fra National Institute of Standards and Technology i Colorado.

Når der påtrykkes et svagt magnetiske felt, viser Zhang, at ringen med den rumlige periodicitet vil rotere og derved skabe en tidskrystal.

Frank Wilczek har selv forklaret, at dette forslag er meget mere konkret og 'professionelt' end hans egne tanker.

****## Evigheden til debat
Berkeley-universitetet har udsendt en pressemeddelelse om Zhangs forskning med overskriftet 'Et ur som vil vare evigt'.

Overskriftet henviser til, at da tidskrystallen befinder sig i en den laveste mulige kvanteenergitilstand, vil den teoretisk set eksistere efter resten af universet har nået sin termodynamiske ligevægtstilstand, som normalt kendes som varmedøden.

Men det er naturligvis noget sludder, som det bl.a. er anført af Tom Swanson, der bedriver forskning inden for atomure ved US Naval Observatory. For tidskrystallen er en makroskopisk enhed, der både kræver elektriske og magnetiske felter for at virke.

****## Mulige anvendelser
Næste skridt bliver at realisere tidskrystallerne.

Det spekuleres i, at de bl.a. vil kunne anvendes til meget præcise ure og til simuleringer inden for kvantecomputere.

Frank Wilczek mener også, at tidskrystaller også kan have praktiske anvendelser, men uden det endnu er klart, hvad disse skulle være.

Her kan det tilføjes, at da de første lasere blev udviklet i begyndelsen af 1960'erne, anede ingen, hvad de kunne bruges til. Laseren blev den gang beskrevet som en løsning, der manglede et problem.

Dokumentation

Viewpoint: Crystals of Time (med link til originalartiklerne)

Emner Fysik

Kommentarer (17)

Et problem med skatteyderfinancieret forskning er at forskerne prøver alt muligt for at skabe opmærksomhed om lige deres felt.

Og jeg vil postulere at Frank Wilczek udmærket godt ved, at når han i første sætning bruger ordet evighedsmaskine, og så i anden sætning medgiver at den periodiske bevægelse ikke kan udføre et arbejde, så vil alle medierne stadig bruge ordet evighedsmaskine i deres overskrifter.

Præcis som det sker her på ing.dk.

Så jeg opfatter det bare som en effektiv måde at skabe ekstra opmærksomhed om et ikke uinteressant fænomen.

  • 0
  • 0

Så jeg opfatter det bare som en effektiv måde at skabe ekstra opmærksomhed om et ikke uinteressant fænomen.

Jeg ser det netop som en af mine opgaver at skabe ekstra opmærksomhed om ikke uinteressante fænomener. Her synes jeg faktisk, at målet helliger midlet.

  • 0
  • 0

Dit argument falder på, at de folk du godt vil have til at læse din artikel, (som jeg ikke forstod et ord af) nok ikke bliver fristet af overskrifter om evighedsmaskiner.

  • 0
  • 0

Et problem med skatteyderfinancieret forskning er at forskerne prøver alt muligt for at skabe opmærksomhed om lige deres felt.

Det argument forstaar jeg ikke. Slet ikke i de gode gamle dage med fri forskning.

Derimod maa dagens forskere der lever fra haanden og i munden af fonds-bevillinger for alvor saelge sig selv. En fonds-bestyrelse lever af store overskrifter i aarsrapporterne.

  • 0
  • 0

Derfor kan de ikke udføre et arbejde og er ikke i strid med termodynamikkens love.
Der faldt den til jorden :P Ud over det forstod jeg ikke en masse.. synes bare energidrengene må se at komme igang vi skriver snart 2013 vi skal bruge noget vedvarende energi der batter ASAP ;)

Mvh Lars M

  • 0
  • 0

Ud over det forstod jeg ikke en masse.. synes bare energidrengene må se at komme igang vi skriver snart 2013 vi skal bruge noget vedvarende energi der batter ASAP ;)

Har vi allerede: Atomenergi.

/Tim

  • 0
  • 0

...men umiddelbart kan jeg ikke se, hvordan eksempelvis Rabi-oscillationer skulle adskille sig fra tidskrystaller. Her skifter et atom peridodisk imellem to energitilstande. Er det fordi der mangler et tidstranslationssymmetribrud?

  • 0
  • 0

Og jeg vil postulere at Frank Wilczek udmærket godt ved, at når han i første sætning bruger ordet evighedsmaskine, og så i anden sætning medgiver at den periodiske bevægelse ikke kan udføre et arbejde, så vil alle medierne stadig bruge ordet evighedsmaskine i deres overskrifter.

Det er vel en evighedsmaskine, hvis den kan fortsætte bevægelsen uendeligt uden der tilføres energi? Det er måske et lidt højt krav at stille til en evighedsmaskine, at den skal kunne udføre et stykke arbejde, eller er jeg mon helt gal på den i min definition af en evighedsmaskine?

  • 0
  • 0

I stedet for at snakke om evighedsmaskiner, vil det være mere relevant at fokusere på, at ringen af beryllium i princippet kan rotere for evigt. Det kan et objekt i bevægelse også, hvis det er uafhængigt af andre inertialsystemer. Så nu skal vi bare sætte en evig magnet under, så skal tiden nok gå ;)

  • 0
  • 0

[quote] Og jeg vil postulere at Frank Wilczek udmærket godt ved, at når han i første sætning bruger ordet evighedsmaskine, og så i anden sætning medgiver at den periodiske bevægelse ikke kan udføre et arbejde, så vil alle medierne stadig bruge ordet evighedsmaskine i deres overskrifter.

Det er vel en evighedsmaskine, hvis den kan fortsætte bevægelsen uendeligt uden der tilføres energi? Det er måske et lidt højt krav at stille til en evighedsmaskine, at den skal kunne udføre et stykke arbejde, eller er jeg mon helt gal på den i min definition af en evighedsmaskine?[/quote]

Definitionen på en evighedsmaskine plejer at være en maskine som kan producere mere energi end der tilføres.

Mvh. Peter

  • 0
  • 0

Led ikke efter umulige "silver-bullets". Vi har enorme mængder vedvarende energi lige foran vores næser, den er bare ikke lige så "smart" som olien. Beklager!

Af vedvarende energikilder har vi solen - og dermed vind, bølge, hydro, biomasse osv.

Olie, kul, naturgas, og URAN er vi ved at løbe tør for - den lette halvdel af olen er allerede brugt, og produktionen er på vej ned. Reduktionen i produktion af naturgas, kul og uran vil følge i den rækkefølge.

Vores problem er ikke, at vi mangler energi, eller at den er umulig at udnytte. Vores problem er derimod, at vi bruger gigantiske mængder i vores daglige, ubæredygtige liv, som man kun kan finde i de fossile brændsler.

  • 0
  • 0

[quote]Et problem med skatteyderfinancieret forskning er at forskerne prøver alt muligt for at skabe opmærksomhed om lige deres felt.

Det argument forstaar jeg ikke. Slet ikke i de gode gamle dage med fri forskning.

Derimod maa dagens forskere der lever fra haanden og i munden af fonds-bevillinger for alvor saelge sig selv. En fonds-bestyrelse lever af store overskrifter i aarsrapporterne.[/quote]

OK.

Med overskriften 'salgsgas' påstår jeg så at sælgeren i dette tilfælde er usaglig, og at hans bevilgere dermed risikerer at forfordele et ligeså interessant projekt, der forsøger at sælge sig selv på et sagligt grundlag.

  • 0
  • 0

Kære læsere

Lars Lundin var hurtig til at kritisere mig for salgsgas i forbindelse med overskriften (se første debatindlæg), jeg var til gengæld hurtig til at forsvare mig med, at jeg ser det som min opgave at skabe ekstraordinær opmærksomhed om interessante fænomener. Og at målet i dette tilfælde helligede midlet.

Mange har anbefalet Lars Lundins kommentar, og mange har anbefalet min replik. Så det står uafgjort.

Nu hvor det er blevet fredag eftermiddag, og mine chefer og folkene i redaktionssekretatriet, der har ansvar for at styre mine og mine kollegaers artikler på plads på ing.dk, er gået hjem, kan vi jo diskutere sagen i ro og fred.

Det skal ikke være nogen hemmelighed, at jeg har afluret, hvad I læsere gerne klikker jer ind på. Jeg siger ofte til mine kollegaer, at hvis vi skriver om kold fusion, langsomt lys eller hurtige biler, så har vi mange læsere. Ord som lysdioder, solceller, atombomber, Higgs og evighedsmaskiner er også sikre hits.

Når Frank Wilczek, som er en begavet mand, og hvis forskning jeg i flere tilfælde har skrevet om, selv nævnte evighedsmaskiner, så kunne jeg altså ikke dy mig.

Til gengæld ved jeg også, at det kun er et fåtal af læserne, der gider læse mine artikler om EU’s forskningspolitik, Open Access og lignende emner – til trods for at det er områder af stor vigtighed. Jeg har endnu ikke fundet den salgsgas, der kan få mange til at læse med på disse områder. Seriøse forslag modtages gerne.

En stor del af de mange, som har åbnet artikel, er sikkert blevet overrasket, for tidskrystaller er ikke et emne, der er let at forklare. Ofte bliver vi kritiseret for at være for overfladiske i vore tekniske og videnskabelige forklaringer (og nogen gange med rette). Den kritik vil jeg nødig modtage, så jeg forsøgte at give forklaring, der ikke skøjtede på overfladen - med risiko for, at mange læsere ville ryste opgivende på hovedet.

Læserne kan med rette stille krav til artiklerne på ing.dk, selv om I får det hele serveret gratis – glem ikke det. Vi journalister kan også stille krav til læserne, synes jeg. Og her er kravet, at man ikke sluger artiklen ufordøjet på et kort øjeblik.

Jeg har tænkt mig også at bruge salgsgas i kommende artikler, dog uden at gå over til digtning og fri fantasi. For hvis der ikke er der nogen, der læser mine artikler fra forskningens frontlinje, bliver jeg sat til at skrive om en masse emner, som jeg selv synes er uinteressante - og det har jeg ikke lyst til.

Det kan dog godt være, at denne artikel om tidskrystaller fik for mange læsere.

I må selvfølgelig også huske på, at de overskrifter, som journalisten selv foreslår til en artikel, ofte bliver helt skrevet om i redaktionssekretariatet.

Nogle gange er jeg ikke selv så glad for resultatet, men i dette tilfælde, var det nu min egen overskrift, som slap gennem systemet. Måske fordi der heller ikke var nogen i redaktionssekretariatet, der forstod et ord af det, jeg skrev. Men det skal vel ikke afholde mig fra at skrive sådanne artikler og lokke jer til at læse dem – eller skal det?

  • 0
  • 0

... Læserne kan med rette stille krav til artiklerne på ing.dk, selv om I får det hele serveret gratis – glem ikke det. Vi journalister kan også stille krav til læserne, synes jeg. Og her er kravet, at man ikke sluger artiklen ufordøjet på et kort øjeblik. ... Nogle gange er jeg ikke selv så glad for resultatet, men i dette tilfælde, var det nu min egen overskrift, som slap gennem systemet. Måske fordi der heller ikke var nogen i redaktionssekretariatet, der forstod et ord af det, jeg skrev. Men det skal vel ikke afholde mig fra at skrive sådanne artikler og lokke jer til at læse dem – eller skal det?

Jeg ved jo godt at tidsmaskiner ikke er lige rundt om hjørnet, så jeg vidste hvad jeg gik ind til, da jeg klikkede væk fra Facebook og ind på denne artikel. Jeg havde regnet med populærvidenskab, men fik mere. Jeg blev udfordret, og det føltes godt. Jeg ville ikke kunne forklare andet end nanokelvin og berylliumioner i et elektromagnetisk felt - symmetribrud er udover min almen viden som kommende kemiingeniør... men nu er jeg blevet lidt klogere. Tak, og vær sød og blive ved :-)

  • 0
  • 0