2012 年 2 月、ノーベル賞を受賞した物理学者の Frank Wilczek は、奇妙なアイデアを公表することを決定しました。不可能に思えましたが、Wilczek は「時間の結晶」の明らかな証拠を開発しました。これは、エネルギーを消費したり、時間を短縮したりすることなく、分針が時計を丸めるように、繰り返しパターンで動く物理構造です。時計やその他の既知の物体とは異なり、タイム クリスタルはその動きを蓄えられたエネルギーからではなく、時間の対称性の破れから導き出し、特別な形式の永久運動を可能にします。
マサチューセッツ工科大学のウィルチェック教授は、「物理学のほとんどの研究は、以前に行われたことの継続です。これは、「ちょっと常識外れ」だったと彼は言いました。
Wilczek のアイデアは、物理学者からの反応が鈍かった。これは、アクシオンとエニオンと呼ばれる粒子の存在を含む、後に主流になったエキゾチックな理論を開発し、漸近的自由として知られる核力の特性を発見したことで知られる優秀な教授でした（2004年にノーベル物理学賞を受賞しました）。 . しかし、物理学の基本法則によって不可能と見なされていた永久運動は、飲み込むのが困難でした。その作業は大きなブレークスルーまたは誤った論理を構成していましたか?ポーランドのヤゲロニアン大学の物理学教授であり、原子光学の責任者であるヤクブ・ザクシェフスキーは、ウィルチェクの出版に伴う研究について展望を書いたが、次のように述べている。
現在、技術の進歩により、物理学者がこのアイデアをテストできるようになりました。彼らはタイム クリスタルの構築を計画していますが、この 永久移動 が実現することを望んでいません エネルギーの無限の供給を生成します (発明者が 1,000 年以上にわたって無駄に努力してきたように) が、時間自体のより優れた理論を生み出します.
クレイジーなコンセプト
このアイデアは、2010 年に講義の準備をしているときに Wilczek に思いつきました。 「ですから、宇宙の結晶について考えれば、時間における結晶の挙動の分類についても考えるのは非常に自然なことです。」
物質が結晶化すると、その原子は自発的に三次元格子の行、列、積み重ねに組織化されます。原子は各「格子点」を占有しますが、原子間の力のバランスにより、原子がその間の空間に存在することができなくなります。原子が存在する場所について、連続的ではなく離散的な一連の選択肢を突然持つため、結晶は自然の空間的対称性を破ると言われています。これは、空間内のすべての場所が同等であるという通常の規則です。しかし、自然界の時間的対称性 — 安定した物体は時間を通して同じままであるという規則についてはどうでしょうか?
Wilczek は何ヶ月もその可能性について熟考した。最終的に、彼の方程式は、原子が時間の経過とともに規則的に繰り返される格子を実際に形成し、離散的な (連続的ではなく) 間隔の後にのみ最初の配置に戻り、それによって時間対称性を破ることを示しました。エネルギーを消費したり生成したりしなければ、タイム クリスタルは物理学者が「基底状態」と呼ぶ状態で安定しますが、科学者は永久運動として解釈できると科学者が言う構造の周期的な変化にもかかわらず.
カリフォルニア大学バークレー校の量子物理学者 Hartmut Häffner は、次のように述べています。 「基底状態の定義は、これがエネルギーゼロであるということです。しかし、状態が時間に依存している場合、それはエネルギーが変化するか、何かが変化していることを意味します。何かが動き回っています。」
エネルギーを消費することなく、何かが動き、永遠に動き続けるにはどうすればよいでしょうか?それはばかげた考えのように思えました — 受け入れられた物理法則からの大きな逸脱です.しかし、量子および古典的な時間結晶に関するウィルチェックの論文 (後者はケンタッキー大学のアルフレッド シェイパーが共同執筆したもの) は、専門家の審査委員会を通過し、2012 年 10 月に Physical Review Letters に掲載されました。時間の対称性を破るものは自然界に存在しますが、彼は実験家に作成を試みてもらいたいと考えました.
「的を引いて、矢が当たるのを待つようなものです」と彼は言いました。 「この行動が現実のものとなるのに論理的な障壁がなければ、それは実現されるだろうと私は期待しています。」
大きな試練
6 月、バークレー校のナノエンジニア Xiang Zhang と Zhang のグループの物理学者でポスドク研究員の Tongcang Li が率いる物理学者グループは、荷電原子またはイオンの永続的に回転するリングの形でタイム クリスタルを作成することを提案しました。 (Li は、Wilczek の論文を読む前にその考えを熟考していたと言いました。) このグループの論文は、Wilczek の Physical Review Letters に掲載されました。
それ以来、一人の批評家 — フランスの欧州シンクロトロン放射光施設の理論物理学者であるパトリック・ブルーノ — が、学術文献で異議を唱えてきました。 Bruno は、Wilczek と会社が、基底状態ではなく、励起されたエネルギー状態にある物体の時間依存の挙動を誤って特定したと考えています。余剰エネルギーを持つオブジェクトが周期的に移動し、エネルギーが消散するにつれて運動が減衰することは驚くべきことではありません。タイム クリスタルであるためには、物体は基底状態で永久運動を示さなければなりません。
ブルーノのコメントとウィルチェックの返答は、2013 年 3 月のフィジカル レビュー レターに掲載されました。ブルーノは、ウィルチェックが量子時間結晶の仮想例として提案したモデル システムで、より低いエネルギー状態が可能であることを実証しました。 Wilczek 氏は、この例はタイム クリスタルではありませんが、エラーが「基本的な概念に疑問を投げかけている」とは考えていないと述べています。
「例が正しくないことを証明しました」とブルーノは言いました。 「しかし、少なくとも今のところ、一般的な証拠はありません。」
議論はおそらく理論的な根拠に基づいて解決されることはありません。 「ボールは本当に私たちの非常に賢い実験仲間の手に委ねられています」と Zakrzewski は言いました。
バークレーの科学者が率いる国際チームは精巧なラボ実験を準備していますが、資金や予期せぬ技術的問題によっては、完了するまでに「3年から無限の年」かかる可能性があると、Zhangと共同主任研究者であるHäffnerは述べています.期待されるのは、タイムクリスタルが物理学を量子力学の正確ではあるが一見不完全な法則を超えて押し進め、より壮大な理論への道を導くことです.
「アインシュタインに続いて新しい貢献ができるかどうか、非常に興味があります」と Li は言いました。 「彼は、量子力学は完全ではないと言いました。」
イオンリングを作るには
アルバート アインシュタインの一般相対性理論 (重力と宇宙の大規模構造を支配する一連の法則) では、時間と空間の次元は、時空として知られる同じ構造に織り込まれています。しかし、量子力学 (素粒子スケールでの相互作用を支配する法則) では、時間次元は空間の 3 次元とは異なる方法で表されます。「不穏で美的に不快な非対称性です」と Zakrzewski 氏は述べています。
時間の異なる扱いは、一般相対性理論と量子力学との間の非互換性の 1 つの原因である可能性があり、量子重力の包括的な理論 (理論物理学の主要な目標として広く見なされている) が存在するためには、少なくともそのうちの 1 つを変更する必要があります。正しい時間の概念はどれですか?
タイム クリスタルが、従来のクリスタルが空間の対称性を破るのと同じ方法で時間の対称性を破ることができる場合、「自然界では、これら 2 つの量は類似した特性を持っているように見え、最終的には理論に反映されるはずです」と Häffner 氏は述べています。これは、量子力学が不十分であり、より優れた量子理論が時間と空間を同じファブリックの 2 つのスレッドとして扱う可能性があることを示唆しています.
バークレーが率いるチームは、電極で囲まれた小さなチャンバーに 100 個のカルシウム イオンを注入することにより、タイム クリスタルの構築を試みます。電極によって生成された電場は、幅100ミクロン、つまり人間の髪の毛の幅とほぼ同じ「トラップ」でイオンを囲い込みます。科学者は、電場を滑らかにするために電極を正確に調整する必要があります。同種の電荷が反発するため、イオンはトラップの外縁の周りに均等に配置され、結晶リングを形成します。
最初は、イオンは励起状態で振動しますが、DVD プレーヤーに見られるようなダイオード レーザーを使用して、余分な運動エネルギーを徐々に分散させます。グループの計算によると、イオンが絶対零度より約 10 億分の 1 度高い温度までレーザー冷却されると、イオン リングは基底状態に落ち着くはずです。この温度領域へのアクセスは、トラップ電極から発生するバックグラウンド熱によって長い間妨げられていましたが、9 月に、電極から表面汚染物質を除去する画期的な技術により、イオン トラップのバックグラウンド熱を 100 分の 1 に削減することが可能になりました。 「それこそが、この実験を実現するために必要な要素です」と Häffner 氏は述べています。
次に、研究者はトラップ内の静磁場のスイッチを入れます。彼らの理論によれば、イオンが回転を開始するようになります (そして回転を無期限に継続します)。すべてが計画通りに進むと、イオンは一定の間隔で開始点まで循環し、時間の対称性を破る時間内に規則的に繰り返される格子を形成します。
リングの回転を確認するために、科学者はイオンの 1 つをレーザーでザッピングし、他の 99 個のイオンとは異なる電子状態にすることで効果的にタグ付けします。 2 番目のレーザーで他の部分が暗くなっても、明るいままです (そして新しい場所が明らかになります)。
明るいイオンが一定の速度でリングを周回している場合、科学者は、時間の並進対称性が破られる可能性があることを初めて実証したことになります。 「それは私たちの理解に本当に挑戦するでしょう」とリーは言いました。 「しかし、まずそれが実際に存在することを証明する必要があります。」
それが実現するまで、一部の物理学者は非常に懐疑的なままです。 「個人的には、基底状態での動きを検出することは不可能だと思います」とブルーノは言いました。 「彼らはトロイダル トラップでイオンの輪を作り、それを使って興味深い物理を行うことができるかもしれませんが、彼らが主張するように、常に時を刻む時計を見ることはできないでしょう。」
