أول فيديو لبلورة الزمن

وفي دراسة مشتركة أجراها باحثون من ألمانيا وبولندا، تم تصوير بلورة زمنية أثناء عملها لأول مرة. تتكون بلورة الميكرومتر من آليات في درجة حرارة الغرفة. وباستخدام الأشعة السينية، سجل الباحثون من برلين مغنطة البلورة مع مرور الوقت وسجلوا سلوكها الدوري

تبين أن البلورة النظرية ممكنة

البلورة مرادفة للمادة الصلبة المكونة من ذرات مرتبة دوريًا في الفضاء. إذا نظرت إلى البلورات من خلال المجهر، يمكنك رؤية نمط دوري يملأ المادة. في عام 2012، تساءل الفائز بجائزة نوبل في الفيزياء فرانك ويلتشيك (الذي فاز عن وصف القوة الشديدة مع ديفيد جروس وديفيد بوليتزر) عما إذا كان من الممكن بناء بلورة دورية في الزمكان، أي بلورة دورية في الزمكان. الشبكة التي تظهر بشكل دوري ليس فقط في المقاطع المكانية الثابتة، ولكن أيضًا في المقاطع الزمنية الثابتة. عندما وصف فرانك البلورة الزمنية لأول مرة، فكر في بعض الهياكل الافتراضية التي لا وجود لها في الطبيعة، ولكن لم يمض وقت طويل على أول مرة تم فيها تجميع البلورة في عام 2017، والتي كان حجمها نانومتر عند درجة حرارة ناقص 250 درجة. درجة مئوية.

لماذا اعتقد فرانك أن بلورات الزمن غير موجودة في الطبيعة؟ من أجل فهم شك ويلتشيك بعمق، سنخصص بضع جمل للبلورات في الطبيعة. البلورات التي تحدث بشكل طبيعي تكون في حالة توازن ديناميكي حراري، وهذا يعني أن الذرات التي تشكل البلورة تتصرف بشكل مماثل في كل لحظة. يمكن للذرات أن تتحرك، ولكن فقط في حركة عشوائية، بحيث لا يمكنها التمييز بين الأحداث على الخط الزمني. على عكس البلورات الطبيعية، فإن البلورة الزمنية تكسر التناظر الزمني حتى في حالة التوازن. هذه ظاهرة معروفة في ميكانيكا الكم توصف تحت مظلة "الكسر التلقائي للتماثل". أي أن قوانين الطبيعة متناظرة في الزمن، لكن المادة تختار حالة فيزيائية تكسر التناظر الزمني المستمر، حالة تسمح لها بتغيير بنيتها مع مرور الوقت. بدت الفكرة سخيفة في ذلك الوقت، لأنها تتعارض مع مبدأ حفظ الطاقة في الأنظمة في حالة توازن، لكن في عام 2015 نشر باحثون من بيركلي وطوكيو مقالا يسد الفجوة ويمكّن من إنشاء بلورة زمنية طالما ظلت الطاقة يتم تغذيته فيه.

البلورة الزمنية مستقرة في درجة حرارة الغرفة

في مقال نشر في مجلة Physical Review Letters المرموقة، نجح باحثون من ألمانيا وبولندا في بناء بلورة زمنية بحجم ميكرومتر في درجة حرارة الغرفة. وتعد هذه قفزة كبيرة منذ آخر محاولة شهيرة في عام 2017. تتكون البلورة الموصوفة في المقالة الأخيرة من جزيئات نصف مغزلية تقع على مسافات ثابتة من بعضها البعض. تغير الجسيمات اتجاه دورانها بشكل دوري (وبالتالي يتم إنشاء "الماجونات" - وهي أشباه جسيمات تتحرك كـ "موجات دوران") وبمساعدة الأشعة السينية، تمكنت المجموعة في برلين من فحص العملية. وفي تجربة أجريت في ألمانيا، قام الباحثون بوضع شريط مغناطيسي فوق هوائي مجهري تنتقل من خلاله موجات الراديو. خلقت هذه الموجات مجالًا مغناطيسيًا دوريًا ووفرت الطاقة اللازمة لإثارة الآليات في المادة المغناطيسية. على عكس الموجات الدائمة الكلاسيكية، تم إنشاء الموجات نتيجة للتأثيرات الكمومية للتشابك بين جزيئات المادة. والدليل الواضح على ذلك هو أن الآليات ظهرت بشكل أسرع من الزمن الذي كانت ستستغرقه لو كانت الآلية كلاسيكية تماما.

وتفاجأ الباحثون بمعرفة مدى ثبات البلورة، حتى لو لم تكن معزولة عن البيئة. "لقد بنينا نظامًا دوريًا من الماغنونات في المكان والزمان، وأدخلنا المزيد من الماجنون في النظام ونتيجة لذلك تفرقوا. لقد أظهرنا لأول مرة أن البلورة يمكنها الاستجابة لأشباه الجسيمات. وأوضح نيك تراجر، طالب الدكتوراه في معهد ماكس بلانك وأحد مؤلفي المقال: "لم يقم أحد بإظهار هذا في الماضي، وبالتأكيد لم يكتب العملية".

توضح جيزيلا شوتز، مديرة معهد الأنظمة الذكية في معهد ماكس بلانك، أنه "تم رصد جبهات الموجات بدقة أعلى من المتوقع، أكثر بـ 20 مرة من أي مجهر ضوئي في السوق. الطريقة التي تم تطويرها لعرض البلورة يمكن أن تلتقط 40 مليار صورة في الثانية مع حساسية عالية جدًا للمجالات المغناطيسية." ويضيف بافيل جروسكي، عالم من معهد آدم مايكل للفيزياء بجامعة بوزنان: "يمكننا أن نلاحظ بلورة ذات جودة أعلى بكثير من تلك التي تم رصدها سابقًا". "يمكن للبلورة الزمنية لدينا أن تتفاعل في درجة حرارة الغرفة مع أشباه الجسيمات وتحافظ على خصائصها، على عكس تلك التي تم بناؤها سابقًا في بيئة معزولة. يمكننا أخيرًا استخدام بلورات الزمن في التقنيات المستقبلية."

لقراءة المقال الكامل

المزيد عن هذا الموضوع على موقع العلوم:

• تدور الإلكترون
• بلورات الزمن ستحمينا من موت الكون
• جهاز الأشعة السينية الرائع / نورا بيرا وفيليب بوكباوم
• كسرة من صخرة وجودنا: اكتشف العلماء أقدم بلورة في إسرائيل