آیا ممکن است زمان هم مانند یخ، ساختاری منظم داشته باشد که با تغییر شرایط، بخشی از نظم خود را از دست بدهد و به حالتی شبیه مایع تبدیل شود؟ فیزیک‌دانان در پژوهشی نظری، احتمال وجود حالتی از ماده به نام «مایع زمان» را مطرح کرده‌اند؛ حالتی که در آن، الگوی تکرارشونده رفتار سامانه در طول زمان، حتی پس از ازدست‌رفتن نظم بلندبرد، در مقیاس‌های کوتاه همچنان حفظ می‌شود.
به گزارش سیناپرس،این پژوهش که هنوز داوری علمی نشده و در پایگاه پیش‌چاپ arXiv قرار گرفته است، می‌تواند راه تازه‌ای برای بررسی رابطه میان نظم و آشفتگی در سامانه‌های فیزیکی فراهم کند.
از بلور زمان تا مایع زمان
برای درک این ایده، می‌توان یک تکه یخ را تصور کرد. مولکول‌های آب در یخ در آرایشی منظم قرار دارند؛ اما با ذوب شدن یخ، این نظم گسترده از بین می‌رود و آب به مایع تبدیل می‌شود. بااین‌حال، مولکول‌ها همچنان با همسایگان نزدیک خود برهم‌کنش دارند و کاملاً بی‌ساختار نیستند.
پژوهشگران این مفهوم را به پدیده‌ای به نام «بلور زمان» تعمیم داده‌اند. بلور زمان سامانه‌ای است که رفتار آن در فواصل زمانی مشخص تکرار می‌شود؛ درست همان‌طور که ساختار یک بلور معمولی در فضا الگوی منظمی دارد.
در نوعی از این سامانه‌ها که «بلور زمان گسسته» نامیده می‌شوند، الگوی رفتاری با تحریک خارجی شکل می‌گیرد، اما با آهنگی متفاوت از محرک تکرار می‌شود. برای مثال، ممکن است سامانه به ازای هر دو چرخه محرک، یک چرخه کامل از الگوی خود را تکرار کند.
این ریتم در شرایط مناسب در برابر اختلالات کوچک مقاوم است. پرسش پژوهشگران این بود که اگر محرک خارجی به‌جای داشتن ریتمی ثابت، دچار نوسان‌های نامنظم شود، چه اتفاقی برای این نظم زمانی می‌افتد؟
شبیه‌سازی چگونه به کشف این حالت احتمالی منجر شد؟
زو وانگ و ماریوس اچ. مایکل، از پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک سامانه‌های پیچیده در آلمان، به همراه همکارانشان، یک مدل نظری طراحی کردند.
در این مدل، شبکه‌ای دوبعدی از اسپین‌های برهم‌کنش‌کننده، یعنی ویژگی‌های کوانتومی ذرات که می‌توان آن‌ها را به‌صورت ساده‌شده مانند پیکان‌های مغناطیسی کوچک تصور کرد، درون یک کاواک الکترومغناطیسی قرار داشت.
نوسان‌های حرارتی در این کاواک، میدان الکترومغناطیسی را به نوسان وامی‌داشتند و این نوسان‌ها بر اسپین‌ها اثر می‌گذاشتند. کاواک نیز به دلیل فرکانس تشدید طبیعی خود، نوعی ریتم تقریبی ایجاد می‌کرد؛ هرچند محرک آن کاملاً منظم نبود.
نتایج شبیه‌سازی نشان داد که در شرایط خاص، اسپین‌ها با فرکانسی برابر با نصف فرکانس کاواک نوسان می‌کنند؛ رفتاری شبیه بلور زمان گسسته، اما با تفاوتی مهم.
گاهی اسپین‌ها از الگوی تکرارشونده خود خارج می‌شدند و به نسخه معادل دیگری از همان الگو تغییر وضعیت می‌دادند. پژوهشگران این اختلال‌ها را «سولیتون‌های زمانی» نامیدند؛ نقص‌هایی که انسجام الگوی زمانی را در مقیاس‌های بزرگ مختل می‌کنند، اما لزوماً نظم محلی آن را از بین نمی‌برند.
چگونه نظم زمانی به حالت مایع تبدیل می‌شود؟
در مدل ارائه‌شده، با وجود اختلال‌های پراکنده، اسپین‌های نزدیک به یکدیگر همچنان الگوی زمانی مشترکی داشتند؛ درحالی‌که هماهنگی این الگو در گستره کل سامانه از بین می‌رفت.
پژوهشگران این وضعیت را «مایع زمان گسسته» نام‌گذاری کردند؛ حالتی نظری که در آن، نظم زمانی در مقیاس کوتاه باقی می‌ماند، اما نظم و هماهنگی بلندبرد دیگر پایدار نیست.
نکته جالب آن است که نوسان‌های حرارتی فقط عامل برهم‌زدن نظم نبودند، بلکه در شرایط مناسب به شکل‌گیری آن نیز کمک می‌کردند.
در دماهای پایین، نوسان‌ها برای ایجاد الگوی تکرارشونده کافی نبودند. با افزایش دما، نظم زمانی پدیدار شد؛ اما در دماهای بالاتر، شدت نوسان‌ها آن‌قدر افزایش یافت که این نظم دوباره از بین رفت.
بنابراین، در این مدل، افزایش دما تا محدوده‌ای مشخص می‌تواند به شکل‌گیری نظم کمک کند؛ نتیجه‌ای که نشان می‌دهد رابطه میان گرما و نظم، برخلاف تصور ساده و رایج، همیشه یک‌طرفه نیست.
مایع زمان چه چیزی درباره قوانین فیزیک می‌گوید؟
یکی از مفاهیم کلیدی این پژوهش، «تقارن انتقال زمانی» است؛ اصلی که به‌طور ساده بیان می‌کند قوانین فیزیک با جابه‌جایی زمان مشاهده تغییر نمی‌کنند.
بلورهای زمان می‌توانند الگویی ایجاد کنند که در آن، رفتار سامانه در لحظات مشخصی تکرار می‌شود و به این ترتیب، تقارن زمانی در سطح رفتار سامانه شکسته می‌شود.
در مایع زمان پیشنهادی، تغییرهای پراکنده میان نسخه‌های مختلف الگوی تکرارشونده ممکن است باعث شود این تمایزها در میانگین بلندمدت از بین بروند؛ درحالی‌که نظم زمانی محلی همچنان باقی بماند.
این ویژگی احتمال بررسی نوعی نظم زمانی را مطرح می‌کند که بتواند در شرایط تعادل گرمایی نیز وجود داشته باشد؛ وضعیتی که تشکیل بلورهای زمان متعارف در آن انتظار نمی‌رود.
آیا مایع زمان واقعاً وجود دارد؟
در حال حاضر، مایع زمان یک پیش‌بینی نظری است و پژوهشگران هنوز آن را به‌صورت تجربی ایجاد نکرده‌اند. برای تأیید این ایده، لازم است آزمایش‌هایی طراحی شود که بتوانند نظم زمانی محلی، اختلال‌های موسوم به سولیتون‌های زمانی و شرایط لازم برای پایداری این حالت را اندازه‌گیری کنند.
بااین‌حال، این پژوهش مسیر تازه‌ای برای مطالعه چگونگی شکل‌گیری نظم در سامانه‌های تحت تأثیر نوسان‌های محیطی پیشنهاد می‌کند؛ موضوعی که می‌تواند به درک بهتر رفتار سامانه‌های پیچیده در فیزیک کمک کند.
نتایج این تحقیق هنوز در مرحله پیش‌چاپ قرار دارد و برای ارزیابی اعتبار علمی آن، بررسی و داوری مستقل ضروری است.