Physiker sagen die Existenz von Zeitkristallen voraus

Eine der mächtigsten Ideen der modernen Physik ist, dass das Universum von Symmetrie regiert wird. Dies ist die Idee, dass sich bestimmte Eigenschaften eines Systems nicht ändern, wenn es irgendeine Art von Transformation durchläuft.

Wenn sich beispielsweise ein System unabhängig von seiner Orientierung oder Bewegung im Raum gleich verhält, muss es dem Impulserhaltungssatz gehorchen.

Wenn ein System unabhängig davon, wann es stattfindet, das gleiche Ergebnis liefert, muss es dem Energieerhaltungssatz gehorchen.



Diese kraftvolle Denkweise haben wir der deutschen Mathematikerin Emmy Noether zu verdanken. Nach ihrem berühmten Satz entspricht jede Symmetrie einem Erhaltungssatz. Und die Gesetze der Physik sind im Wesentlichen das Ergebnis der Symmetrie.

Ebenso mächtig ist die Idee der Symmetriebrechung. Wenn das Universum weniger Symmetrie aufweist als die Gleichungen, die es beschreiben, sagen Physiker, dass die Symmetrie gebrochen wurde.

Ein bekanntes Beispiel ist die niederenergetische Lösung, die mit der Ausfällung eines Feststoffs aus einer Lösung verbunden ist – die Bildung von Kristallen, die eine räumliche Periodizität aufweisen. In diesem Fall bricht die räumliche Symmetrie zusammen.

Räumliche Kristalle sind gut untersucht und gut verstanden. Aber sie werfen eine interessante Frage auf: Lässt das Universum die Bildung ähnlicher Periodizitäten in der Zeit zu?

Heute diskutieren Frank Wilczek vom Massachussettsi Institute of Technology und Al Shapere von der University of Kentucky diese Frage und kommen zu dem Schluss, dass die Zeitsymmetrie bei niedrigen Energien genauso zerbrechlich erscheint wie die räumliche Symmetrie.

Dieser Vorgang soll zu Periodizitäten führen, die sie Zeitkristalle nennen. Außerdem sollten Zeitkristalle existieren, wahrscheinlich vor unserer eigenen Nase.

Lassen Sie uns diese Idee etwas genauer untersuchen. Erstens, was bedeutet es für ein System, die Zeitsymmetrie zu durchbrechen? Wilczek und Shapere sehen das so. Sie stellen sich ein System im niedrigsten Energiezustand vor, das unabhängig von der Zeit vollständig beschrieben ist.

Da es sich in seinem niedrigsten Energiezustand befindet, sollte dieses System im Weltraum eingefroren werden. Wenn sich das System bewegt, muss es daher die Zeitsymmetrie durchbrechen. Dies ist äquivalent zu der Idee, dass der Zustand mit der niedrigsten Energie einen minimalen Wert auf einer Raumkurve hat und nicht an einem einzelnen isolierten Punkt

Das ist eigentlich nicht so außergewöhnlich. Wilczek weist darauf hin, dass ein Supraleiter selbst in seinem niedrigsten Energiezustand einen Strom – die Massenbewegung von Elektronen – führen kann.

Der Rest ist im Wesentlichen Mathematik. So wie die Gleichungen der Physik die spontane Bildung von räumlichen Kristallen, Periodizitäten im Raum erlauben, so müssen sie auch die Bildung von Periodizitäten in der Zeit oder Zeitkristallen zulassen.

Wilczrek betrachtet insbesondere die spontane Symmetriebrechung in einem geschlossenen quantenmechanischen System. Hier wird die Mathematik ein wenig seltsam. Die Quantenmechanik zwingt Physiker dazu, über imaginäre Zeitwerte oder iTime, wie Wilczek es nennt, nachzudenken.

Er zeigt, dass in iTime die gleichen Periodizitäten auftreten sollten und dass sich dies als periodisches Verhalten verschiedener Arten thermodynamischer Eigenschaften manifestieren sollte.

Das hat eine Reihe wichtiger Konsequenzen. An erster Stelle steht die Möglichkeit, dass dieser Prozess einen Mechanismus zur Zeitmessung bietet, da das periodische Verhalten wie ein Pendel ist. Die spontane Bildung eines Zeitkristalls stellt das spontane Auftauchen einer Uhr dar, sagt Wilczek.

Eine andere ist die Möglichkeit, dass es möglich sein könnte, Zeitkristalle zu nutzen, um Berechnungen mit Nullenergie durchzuführen. Wie Wilczek es ausdrückt, ist es interessant zu spekulieren, dass ein ... quantenmechanisches System, dessen Zustände als eine Sammlung von Qubits interpretiert werden könnten, so konstruiert werden könnte, dass es eine programmierte Landschaft strukturierter Zustände im Hilbert-Raum im Laufe der Zeit durchquert.

Insgesamt ist dies ein einfaches Argument. Aber Einfachheit ist oft täuschend mächtig. Natürlich wird es Streitigkeiten über einige der damit aufgeworfenen Fragen geben. Einer davon ist, dass die Bewegung, die die Zeitsymmetrie durchbricht, ein wenig rätselhaft erscheint. Wilczek und Shapere erkennen dies an: Grob gesagt sieht das, wonach wir suchen, dem Perpetuum mobile gefährlich nahe.

Das wird einiges an Verteidigung brauchen. Aber wenn jemand den Stammbaum hat, um diese Ideen voranzutreiben, dann Wilczek, ein Physik-Nobelpreisträger.

Wir freuen uns auf die anschließende Debatte.

Referenzen:

arxiv.org/abs/1202.2539 : Quantenzeitkristalle

arxiv.org/abs/1202.2537 Klassische Zeitkristalle

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