Cristalul temporal, o formă inedită a materiei, până de curând doar un concept teoretic, a devenit certitudine graţie unor echipe de cercetători americani, conduse de laureatul Premiului Nobel pentru fizică, Frank Wilczek. Cristalul temporal este considerat o descoperire ştiinţifică majoră în fizica cuantică, deoarece poate deschide drumuri noi, cu un potenţial uriaş, în informatica cuantică şi în explorarea cosmosului.

Când fizicianul american Frank Wilczek a lansat, în 2012, ideea unui cristal temporal (numit şi cristalul timpului, cristal spaţiu-timp), un cristal în patru dimensiuni, s-a crezut că este o imposibilitate, ceva potrivit, mai degrabă, pentru science-fiction sau pentru World of Warcraft, din lumea jocurilor Blizzard Entertainment, până când studiul a fost publicat în revista Physical Review Letter, în 2017, urmat, la scurtă vreme, de obţinerea cristalului temporal în laborator.

Ce este un cristal temporal, această stare inedită a materiei?

Ideea că se poate obţine un cristal temporal, în patru dimensiuni, a fost lansată în anul 2012, de către Frank Wilczek, cel care a primit Premiul Nobel pentru fizică, în 2004, împreună cu Hugh David Politzer şi David Gross, pentru descoperirea lor – libertatea asimptotică – o proprietate legată de teoria cuantică a câmpurilor.

Un cristal, în sensul curent al termenului, este un corp omogen, ale cărui particule – atomi, molecule, ioni – sunt aranjate regulat, într-o structură tridimensională, cu repetări periodice numite sisteme de cristalizare. De exemplu, înainte ca un lichid să cristalizeze, spaţiul pe care îl ocupă este omogen. Dacă punem apă într-o ceaşcă şi luăm eşantioane de la bază sau din partea superioară, probele vor fi la fel. Altfel spus, spaţiul are o simetrie.

Atunci când apa cristalizează, atomii formează ansambluri fixe, rigide. Spaţiul ocupat de cristal devine periodic. Cristalul a rupt simetria spaţială prin formarea de modele repetitive, orientate într-o direcţie sau alta.

La modul general, materia în stare lichidă sau gazoasă, aflată în echilibru termo-dinamic, este formată din particule uniform distribuite, având la translaţie (deplasare a unui corp astfel încât toate punctele lui să aibă viteze egale şi paralele şi să descrie traiectorii identice) o simetrie perfectă. La energii mai scăzute, unele materiale cristalizează (de exemplu, apa, la temperaturi sub zero grade), pierzându-şi simetria spaţială la translaţie.

Pe de altă parte, cristalul temporal, “în patru dimensiuni”, este o denumire inspirată de ceea ce se poate observa într-un scristal “clasic”, a cărui structură, după cum am subliniat anterior, arată o repetiţie în diferite direcţii ale spaţiului. Într-un cristal temporal, repetiţia se face periodic, în timp, după modelul unui oscilator, o structură compusă dintr-un grup de particule care se deplasează şi se întorc periodic la starea iniţială.

Frank Wilczek s-a gândit să extindă ideea de cristale tridimensionale, la structuri în patru dimensiuni şi a conceput (teoretic, mai intai) un sistem cu o cantitate de energie minimă, până la punctul în care să fie îngheţat în spaţiu ca un cristal standard.

În fizică, relatia spaţiu-timp este o reprezentare matematică a spaţiului şi a timpului ca două noţiuni inseparabile, care se influenţează reciproc, o concepţie care a produs schimbări majore în teoriile ştiinţifice ale secolului al XX-lea, odată cu teoria relativităţii restrânse. Un continuum spaţiu-timp presupune patru dimensiuni: trei dimensiuni pentru spaţiu – x, y, z – şi una pentru timp – t. Pentru un cristal 4D, ar trebui “spartă” simetria şi la translaţia timpului, modificându-se periodic, revenind mereu la forma iniţială, pulsând la nesfârşit, fără energie din exterior.

Aşa cum legile fizicii permit formarea spontană a cristalelor a căror periodicitate rupe simetria spaţiului, aceleaşi legi ar trebui să permită şi formarea spontană a cristalelor temporale a căror periodicitate rupe simetria timpului.

Potrivit opiniei lui Wilczek, acest lucru s-ar putea manifesta prin comportamentul periodic al diferitelor procese termodinamice, cum ar fi, de exemplu, un inel ionic de joasă energie. S-ar obţine, în felul acesta, un fel de pendul natural, care să se folosească pentru măsurarea timpului sau, cum spune fizicianul însuşi: “formarea spontană a unui cristal temporal corespunde apariţiei spontane a unui ceas”.

Autorul acestui concept a atras atenţia, în acelaşi timp, că o astfel de idee nu trebuie confundată cu un Perpetuum mobile (un dispozitiv capabil de o mişcare continuă, nesfârşită, fără aport de energie din exterior, pe care fizica nu îl acceptă ca fiind realitate, doar o utopie).

Cristalul temporal a fost obţinut experimental de către mai multe echipe de cercetători

Un cristal temporal nu este un obiect pe care să-l ţii în palme, nici o substanţă palpabilă. O vreme, conceptul de cristal temporal a existat doar ca o curiozitate matematică. Astăzi însă, după ce s-a obţinut în laborator, este considerat o descoperire de primă importanţă.

Pe baza studiului publicat de Frank Wilczek, cercetători de la MIT (Massachusetts Institute of Technology, SUA) şi de la Universitatea Maryland au creat în laborator cristalul temporal, în patru dimensiuni, utilizând un lanţ unidimensional de 10 atomi de Ytterbium, asupra căruia au acţionat, în mai multe reprize, cu două lasere. Printr-un astfel de procedeu s-a putut constata că lanţul s-a stabilizat într-un model repetitiv, adică într-o nouă fază a materiei, cu particularitatea că, pe lângă faptul că are o structură atomică repetabilă, în mod regulat în spaţiu, aceasta se repetă şi în timp.

La Harvard, o altă echipă a obţinut acelaşi rezultat, utilizând un diamant. Cristalele de diamant prezintă o impuritate în reţeaua cristalină a atomilor de carbon, care este un defect de diamant comun (centre azot-gol, care se comportă similar unei structuri cuantice cu spin – impuls propriu de învârtire al particulelor elementare si al cuantelor).

Asadar, cele două echipe distincte de cercetători, cea de la Universitatea Maryland şi cea de la Universitatea Harvard, bazându-se pe acelaşi studiu, al lui Frank Wilczek, au creat două versiuni diferite de cristal temporal, ambele viabile. Coordonatorul uneia dintre echipe afirma că: “Ambele sisteme sunt foarte cool, deşi foarte diferite. Nu este unul mai bun decât celălalt, sunt doar două posibilităţi, două rezultante în cadrul aceloraşi legi fizice, ceea ce este cu adevărat surprinzător”.

Opiniile lui Frank Wilczek despre descoperirea sa, cristalul temporal

Într-un interviu acordat revistei Science et Avenir, Frank Wilczek, citând un alt fizician de marcă, pe Richard Feynman (şi el laureat al Premiului Nobel, în 1965), spunea că fizica de performanţă necesită “imaginaţie în cămaşă de forţă”, deoarece a veni cu o idee nouă, justă şi importantă nu e uşor, având în vedere că trebuie să se ţină cont de reguli, legi, teorii care şi-au demonstrat deja viabilitatea de-a lungul timpului.

A fost întrebat, de asemenea, dacă această stare inedită a materiei, cristalul temporal, rezultată dintr-o ruptură în simetria temporală, trebuie să fi existat şi în primele momente ale Universului. Răspunsul lui Frank Wilczek a fost că, într-o oarecare măsură, Big Bang-ul, care marchează începutul evoluţiei Universului, constituie o ruptură a simetriei timpului, pentru că prezentul sau diferă de trecut. Şi este foarte posibil, spune fizicianul american, ca, la un anumit moment, cristalul temporal să se lege de timpul cosmologic.

Cristalul temporal – o descoperire excepţională, cu implicaţii în deverse domenii

Oamenii de ştiinţă recunosc că această performanţă, de a obţine cristalul temporal, în patru dimensiuni, care ţine de o formă inedită a materiei – materia neechilibrată – este un succes uriaş, dar că este abia începutul unui nou drum în fizica şi informatica cuantică.

Se vor putea concepe, de exemplu, calculatoare cuantice stabile, care să reziste la temperaturi mult mai ridicate decât cele de astăzi şi care să înlocuiască tehnologia actuală, extrem de complicată şi foarte solicitantă, inclusiv din punctul de vedere al resurselor umane. Cristalul temporal va putea sta la baza unităţii de memorie ale celor mai puternice calculatoare cuantice.

Tot cu ajutorul cristalului temporal se vor putea obţine nanosenzori care să măsoare câmpul magnetic şi temperatura în interiorul celulelor vii.

Nenumărate alte întrebuinţări ale cristalului temporal, inclusiv cele legate de explorarea spatiului cosmic si de o nouă intelegere a devenirii Universului, pe care cercetătorii, astăzi, doar le intuiesc sau pe care le explorează încă, pe baza potenţialităţii acestei stări inedite de materie nonechilibrată, vor revoluţiona tehnologia viitorului apropiat.