فیزیکدانان دانشگاه شانگهای جیائو تونگ چین برای نخستین بار موفق شدند فرآیند ذوب شدن یک «بلور فضا-زمان» را بهصورت آزمایشگاهی مشاهده کنند. نتایج این پژوهش نشان میدهد برخلاف بلورهای معمولی، نظم زمانی و نظم مکانی در این ماده شگفتانگیز بهطور مستقل و در سه مرحله متفاوت از بین میروند؛ یافتهای که میتواند درک دانشمندان از حالتهای عجیب ماده و قوانین بنیادی فیزیک را گسترش دهد.
به گزارش سیناپرس، گروهی از پژوهشگران دانشگاه شانگهای جیائو تونگ در چین موفق شدند برای نخستین بار فروپاشی یا ذوب شدن یک بلور فضا-زمان (Spacetime Crystal) را در شرایط آزمایشگاهی مشاهده کنند. نتایج این مطالعه که در نشریه Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده است، نشان میدهد این نوع ماده برخلاف مواد معمولی، به شیوهای کاملاً متفاوت نظم خود را از دست میدهد.
بلور فضا-زمان چیست؟
در فیزیک، واژه «بلور» تنها به سنگهای درخشان یا کریستالهای طبیعی اشاره ندارد، بلکه به مادهای گفته میشود که اتمهای آن در یک الگوی منظم و تکرارشونده در فضا قرار گرفته باشند.اما بلور فضا-زمان نوعی حالت غیرمعمول ماده است که این نظم، علاوه بر فضا، در زمان نیز تکرار میشود. به عبارت دیگر، ذرات آن نهتنها آرایش منظمی دارند، بلکه حرکت و نوسان آنها نیز با ریتمی ثابت و تکرارشونده ادامه پیدا میکند.این حالت از ماده یکی از موضوعات نوظهور فیزیک است و دانشمندان هنوز در حال شناخت ویژگیهای آن هستند.
آزمایشی ساده برای بررسی پدیدهای پیچیده
به جای استفاده از سامانههای کوانتومی بسیار پیچیده، پژوهشگران از مدلی کلاسیک بهره گرفتند.
آنها صدها دیسک پلاستیکی کوچک را که در زیر خود شش پایه زاویهدار داشتند، روی صفحهای قرار دادند که با فرکانس ۱۰۰ هرتز به لرزه درمیآمد. برخورد مداوم پایههای دیسکها با صفحه باعث حرکتهای تصادفی آنها میشد.
اما زمانی که تعداد دیسکها افزایش یافت، اتفاقی شگفتانگیز رخ داد؛ دیسکها بهطور خودبهخود در یک آرایش مثلثی منظم قرار گرفتند و کل این ساختار مانند یک جسم واحد، بسیار آرام و هماهنگ شروع به چرخش کرد؛ هر دور کامل این چرخش حدود پنج ساعت زمان میبرد و این نظم حتی تا نزدیک یک شبانهروز نیز حفظ میشد.
نکته مهم این بود که این حرکت آرام کاملاً مستقل از لرزش سریع صفحه ایجاد میشد و همین ویژگی، این سامانه را به نمونهای از یک بلور فضا-زمان تبدیل کرد.
ذوب شدن در سه مرحله
برای بررسی نحوه فروپاشی این ساختار، پژوهشگران تعدادی از دیسکها را از روی صفحه برداشتند تا چگالی سامانه کاهش یابد.
برخلاف انتظار، بلور بهصورت تدریجی از بین نرفت، بلکه در سه مرحله مجزا ذوب شد.
در مرحله نخست، هماهنگی زمانی میان بخشهایی از بلور از بین رفت، اما ساختار فضایی آن همچنان حفظ شد.
در مرحله دوم، نظم زمانی کاملاً نابود شد، در حالی که آرایش منظم ذرات هنوز تا حد زیادی باقی مانده بود.
در نهایت، در مرحله سوم، ساختار فضایی نیز فروپاشید و سامانه به حالتی مشابه یک سیال نامنظم تبدیل شد.
زمان و فضا قوانین متفاوتی دارند
بررسیها نشان داد دو سازوکار فیزیکی متفاوت مسئول این فروپاشی هستند.از بین رفتن نظم زمانی به دلیل تضعیف برهمکنش میان ذرات رخ میدهد، در حالی که نابودی نظم فضایی نتیجه گسترش نقصها و بینظمیها در شبکه بلوری است.
به گفته پژوهشگران، این یافته نشان میدهد قوانینی که نظم زمانی را کنترل میکنند، با قوانینی که مسئول نظم فضایی هستند تفاوت اساسی دارند و این دو میتوانند مستقل از یکدیگر تغییر کنند.
اهمیت این کشف
دانشمندان تأکید میکنند این نتیجه به معنای آن نیست که همه بلورهای فضا-زمان دقیقاً به همین شکل ذوب میشوند، اما برای نخستین بار نشان میدهد زمان و فضا میتوانند هنگام فروپاشی یک ماده، رفتارهای مستقلی از خود نشان دهند.
این کشف میتواند مسیر تازهای برای مطالعه گذارهای فازی، شکست تقارن، مواد خارج از تعادل و حتی سامانههای کوانتومی آینده باز کند.پژوهشگران معتقدند: شناخت بهتر این حالتهای عجیب ماده، در آینده میتواند به توسعه فناوریهای نوین در حوزه فیزیک کوانتومی، مواد پیشرفته و سامانههای محاسباتی نسل آینده کمک کند.
مترجم:مهگل غفاری