فیزیک‌دانان حالت عجیبی از ماده را کشف کردند؛ مایعی که در زمان جریان دارد

فیزیکدانان حالت عجیبی از ماده را کشف کردند؛ مایعی که در زمان جریان دارد

فیزیکدانان مدلی نظری از «مایع زمان» ارائه کردهاند که در آن، نظم زمانی در مقیاس کوتاه حفظ میشود، اما هماهنگی بلندمدت از بین میرود.

پژوهشگران مدلی نظری ارائه کردهاند که براساس آن، نوعی بلور زمان میتواند رفتاری شبیه مایعات داشته باشد. این حالت که آن را «مایع زمان» نامیدهاند، نظمی را در بازههای زمانی کوتاه حفظ میکند، اما هماهنگی منظم آن در مقیاسهای طولانیتر از بین میرود. این ایده هنوز بهصورت آزمایشگاهی اثبات نشده است، اما میتواند راه تازهای برای بررسی رابطه میان نظم، آشفتگی و تأثیر محیط بر ماده باز کند.

برای درک این مفهوم، یک قالب یخ را تصور کنید. در یخ، مولکولهای آب در آرایشی منظم قرار دارند؛ اما با ذوبشدن، این نظم گسترده از بین میرود. بااینحال، مولکولهای آب در حالت مایع همچنان با همسایگان نزدیک خود تعامل دارند و مقداری نظم محلی حفظ میشود. فیزیکدانان میپرسند آیا پدیدهای مشابه میتواند برای ساختاری رخ دهد که نظم آن نه در فضا، بلکه در زمان شکل میگیرد؟

بلور زمان چگونه به مایع تبدیل میشود؟

در یک بلور معمولی، الگو در فضا تکرار میشود؛ اما بلور زمان الگویی از رفتار را در طول زمان تکرار میکند. یکی از انواع آن، «بلور زمان گسسته»، با نیرویی خارجی مانند لیزر تحریک میشود، اما با آهنگی متفاوت با منبع محرک نوسان میکند. برای مثال، ممکن است به ازای هر دو ضرب منبع، ماده یک ضرب داشته باشد. این ریتم معمولاً در برابر اختلالهای کوچک مقاوم است.

«زو وانگ» (Zuo Wang) و «ماریوس مایکل» (Marios H. Michael)، فیزیکدانان مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک سامانههای پیچیده در آلمان، بررسی کردند که اگر نیروی محرک بهجای ریتمی ثابت، نوسانهایی نامنظم داشته باشد، چه اتفاقی میافتد.

آنها یک مدلی نظری ساختند از شبکهای دوبعدی از اسپینهای برهمکنشکننده. کمیتهایی کوانتومی که میتوان آنها را بهطور ساده مانند پیکانهای مغناطیسی کوچک روی یک صفحه دو-بعدی تصور کرد.

این صفحه با یک محفظه الکترومغناطیسی در ارتباط بود. فرض کنید که صفحه پیکانها را داخل یک اتاق خالی و ناقوسمانند گذاشتهاید که دارای میدان مغناطیسی است.

حالا فرض کنید به جای آن که با چکش به ناقوس ضربه بزنید، آن را گرم میکنید.

نوسانهای حرارتی تصادفی در این محفظه، میدان الکترومغناطیسی را به نوسان درآورد و این میدان بر رفتار اسپینها اثر میگذاشت و باعث میشد با اسپینهای همسایه برهمکنش داشته باشند.

شبیهسازیها نشان دادند که در شرایط مناسب، اسپینها حتی با وجود نامنظمبودن محرک، با نصف فرکانس محفظه نوسان میکنند. بااینحال، گاهی میان دو الگوی تکرارشونده جابهجا میشدند. پژوهشگران این اختلالها را «سولیتونهای زمانی» (Time Solitons) نامیدند؛ نقصهایی در نظم زمانی که هماهنگی بلندمدت را مختل میکنند، اما ریتم کلی را کاملاً از بین نمیبرند.

نتیجه، حالتی بود که پژوهشگران آن را «مایع زمان گسسته» نامیدند: وضعیتی که در آن نظم زمانی در مقیاس کوتاه باقی میماند، درحالیکه انسجام بلندمدت از دست میرود؛ مشابه آب مایع که پس از ذوبشدن یخ، نظم گسترده بلوری خود را از دست میدهد، اما همچنان ساختاری محلی دارد.

آیا گرما میتواند نظم ایجاد کند؟

یکی از نکات غیرمنتظره این مدل آن بود که نوسانهای حرارتی صرفاً نظم اسپینها را مختل نمیکردند، بلکه در شکلگیری الگوی منظم آنها نیز نقش داشتند. در دماهای پایین، نوسانها برای ایجاد این الگو کافی نبودند؛ در دماهای میانی، ریتم مشخص شکل میگرفت؛ و در دماهای بالا، آشفتگی شدید دوباره نظم را از بین میبرد. بنابراین، افزایش دما تا حد معینی به ایجاد نظم کمک میکرد.

این پدیده با مفهوم «تقارن انتقال زمانی» نیز ارتباط دارد؛ اصلی که میگوید قوانین فیزیک به زمان انجام مشاهده وابسته نیستند، حتی اگر پدیدههای مرتبط با آن قوانین رفتار خود را در زمان تغییر دهند. بلور زمان با ایجاد الگویی تکرارشونده، لحظههای زمانی را از یکدیگر متمایز میکند. اما در مدل مایع زمان، جابهجاییهای گاهبهگاه میان الگوهای معادل باعث میشود این تمایزها در میانگین از بین بروند.

از این رو، پژوهشگران احتمال میدهند چنین حالتی حتی در «تعادل گرمایی» نیز وجود داشته باشد؛ وضعیتی که انتظار نمیرود بلورهای زمان متعارف در آن شکل بگیرند.

بااینحال، این نتایج هنوز در مرحله نظری هستند و پژوهشگران باید آنها را در آزمایشهای واقعی بررسی کنند. اگر این حالت از ماده در آزمایش تأیید شود، میتواند دیدگاه تازهای درباره چگونگی پیدایش نظم در شرایط ظاهراً آشفته ارائه دهد.

پژوهشگران مقاله خود را پیش از داوری در مخزن arXiv منتشر کردهاند.