Συνήθως θεωρούμε ότι το λιώσιμο είναι μια σχετικά απλή διαδικασία: ένα στερεό υλικό περνά σταδιακά στην υγρή κατάσταση.
Όμως, τουλάχιστον ένα υλικό στο Σύμπαν φαίνεται να ακολουθεί διαφορετικό δρόμο.
Σε μια εξωτική μορφή ύλης που είναι γνωστή ως κρύσταλλος χωροχρόνου, ο χρόνος και ο χώρος μπορούν να «λιώσουν» ανεξάρτητα.
Με ένα πείραμα σε επιτραπέζια διάταξη, όπου εκατοντάδες πλαστικοί δίσκοι κινούνταν πάνω σε μια δονούμενη επιφάνεια, φυσικοί από το Shanghai Jiao Tong University στην Κίνα παρατήρησαν για πρώτη φορά έναν κρύσταλλο χωροχρόνου να λιώνει. Και διαπίστωσαν ότι η διαδικασία εξελίσσεται σε τρία διακριτά στάδια.
Η ανακάλυψη, που δημοσιεύτηκε στο Proceedings of the National Academy of Sciences, δίνει στους φυσικούς την πρώτη ευκαιρία να δουν πώς διαλύεται αυτή η ασυνήθιστη κατάσταση της ύλης.
Η λέξη «κρύσταλλος» μπορεί να φέρνει στο μυαλό λαμπερά πρίσματα από διαφανές πέτρωμα, όμως στη φυσική αναφέρεται στη διάταξη των ατόμων μέσα σε ένα υλικό.
Ένας κρύσταλλος είναι ένα στερεό υλικό στο οποίο τα άτομα σχηματίζουν ένα ιδιαίτερα οργανωμένο τρισδιάστατο πλέγμα που επαναλαμβάνεται στον χώρο. Με άλλα λόγια, οποιοδήποτε τμήμα του πλέγματος μπορεί να ταυτιστεί τέλεια με οποιοδήποτε άλλο τμήμα του.
Ένας κρύσταλλος χωροχρόνου είναι ένα σύστημα στο οποίο η δομή επαναλαμβάνεται όχι μόνο στον χώρο, αλλά και στον χρόνο. Οι ταλαντώσεις των ατόμων σχηματίζουν έναν επαναλαμβανόμενο, σταθερό ρυθμό που συνεχίζεται ξανά και ξανά.
Πρόκειται για μια κατάσταση της ύλης που οι φυσικοί εξακολουθούν να προσπαθούν να κατανοήσουν. Οι κρύσταλλοι χρόνου, όμως, είναι δύσκολοι στην κατασκευή και ακόμη δυσκολότεροι στη διατήρηση της σταθερότητάς τους, ώστε να μελετηθούν οι ιδιότητές τους.
Ένας από τους καλύτερους τρόπους για να κατανοήσει κανείς μια κατάσταση της ύλης είναι να παρατηρήσει πώς χάνει την τάξη της.
Στους συνηθισμένους κρυστάλλους, δεκαετίες μελέτης του λιωσίματος έχουν βοηθήσει τους φυσικούς να κατανοήσουν φαινόμενα όπως τα ελαττώματα, το σπάσιμο συμμετρίας και οι μεταπτώσεις φάσης. Άρα, είναι λογικό ότι η παρακολούθηση ενός κρυστάλλου χωροχρόνου την ώρα που λιώνει μπορεί επίσης να προσφέρει χρήσιμα συμπεράσματα.
Οι κβαντικοί κρύσταλλοι χωροχρόνου, ωστόσο, θα έθεταν σημαντικές δυσκολίες σε μια τέτοια παρατήρηση. Έτσι, οι ερευνητές στράφηκαν σε ένα δοκιμασμένο υποκατάστατο: το κλασικό ανάλογο.
Το σύστημα αποτελείται από μια επίπεδη επιφάνεια που οι ερευνητές έκαναν να δονούνται στα 100 Hertz, δηλαδή 100 φορές το δευτερόλεπτο.
Θυμίζει λίγο μια πλάκα του Chladni, αλλά με μία κρίσιμη διαφορά. Στην πλάκα του Chladni, οι κόκκοι άμμου μετακινούνται μέχρι να σχηματίσουν τα στάσιμα μοτίβα της συχνότητας.
Αντί για κόκκους άμμου, σε αυτό το πείραμα χρησιμοποιήθηκαν μικροσκοπικοί πλαστικοί δίσκοι, ο καθένας με έξι γωνιώδη, σαν καρφίτσες, ποδαράκια στην κάτω πλευρά. Κάθε φορά που η πλάκα κινείται, τα ποδαράκια έρχονται σε επαφή μαζί της για ελάχιστο χρόνο, με αποτέλεσμα τυχαία «σπρωξίματα» από τη δύναμη που τη θέτει σε κίνηση.
Έτσι, αντί για την τακτική διάταξη των κόκκων στη πλάκα του Chladni, οι δίσκοι κινούνται χαοτικά.
Όταν όμως συγκεντρωθούν αρκετοί πάνω στην επιφάνεια, συμβαίνει κάτι εντυπωσιακό.
Οι δίσκοι οργανώνονται αυθόρμητα σε ένα τριγωνικό κρύσταλλο, ενώ ολόκληρο το πλέγμα αρχίζει να περιστρέφεται σαν ένα ενιαίο άκαμπτο σώμα, ολοκληρώνοντας μία περιστροφή περίπου κάθε 5 ώρες. Αυτή η συγχρονισμένη κίνηση μπορεί να διατηρηθεί για σχεδόν μία ημέρα, παρά τον έντονο θόρυβο.
Σημαντικό είναι ότι η κίνηση των 5 ωρών είναι διαφορετική από τη δόνηση των 100 Hertz της πλάκας. Η ταλάντωση μεγάλης περιόδου εμφανίζεται, λοιπόν, ανεξάρτητα από τη διέγερση, η οποία απλώς προσφέρει ενέργεια στους δίσκους.
Για να προκαλέσουν το σενάριο του λιωσίματος, οι ερευνητές αφαίρεσαν μερικούς από τους δίσκους, ώστε να μειώσουν την πυκνότητα. Αντί το σύστημα να επιστρέψει σταδιακά προς το αρχικό χάος, ο κρύσταλλος έλιωσε σε τρεις ξεχωριστές φάσεις.
Πρώτα, ο συγχρονισμός άρχισε να αποτυγχάνει σε τοπικές περιοχές, ενώ το υπόλοιπο κρύσταλλο συνέχιζε την κίνησή του.
Έπειτα, ο ρυθμός διαλύθηκε πλήρως, παρότι το κρυσταλλικό σύστημα διατηρούσε ακόμη μεγάλο μέρος της χωρικής του τάξης.
Τελικά, το ίδιο το πλέγμα διασπάστηκε και έγινε ανάλογο με ένα αταξικό ρευστό.
Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι δύο διαφορετικές φυσικές διεργασίες οδηγούν στο λιώσιμο. Η απώλεια της χρονικής τάξης οφείλεται στην εξασθένηση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων, ενώ η κατάρρευση του ίδιου του κρυστάλλου συμβαίνει καθώς τα ελαττώματα εξαπλώνονται μέσα στο πλέγμα.
Το αποτέλεσμα αυτό δείχνει ότι οι κανόνες που διέπουν την τάξη στον χρόνο είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί από εκείνους που διέπουν την τάξη στον χώρο.
Σχετικό: Οι κρύσταλλοι του χωροχρόνου θα μπορούσαν να καταρρεύσουν σε μικροσκοπικές μαύρες τρύπες, εξηγεί παράξενη μελέτη
Αυτό δεν σημαίνει ότι όλοι οι κρύσταλλοι χωροχρόνου λιώνουν με αυτόν τον τρόπο. Δείχνει, όμως, ότι χώρος και χρόνος μπορούν να αποσυνδεθούν μεταξύ τους κατά τη διάρκεια του λιωσίματος, μια διαπίστωση που ανοίγει νέους δρόμους για τη μελέτη των μεταπτώσεων φάσης σε κλασικά συστήματα.
«Τα πειραματικά μας αποτελέσματα αποκαλύπτουν ένα σύνθετο σενάριο τριών σταδίων λιωσίματος, στο οποίο η χωρική και η χρονική κρυσταλλική τάξη λιώνουν σε διαφορετικές κρίσιμες τιμές και μέσω διαφορετικών φυσικών μηχανισμών, υποστηρίζοντας την ανεξαρτησία αυτών των συμμετριών του χωροχρόνου», γράφουν οι ερευνητές.
«Τα ευρήματά μας επιβεβαιώνουν την ύπαρξη εξωτικών μη ισορροπιακών κρυσταλλικών φάσεων της ύλης στον χωροχρόνο και ανοίγουν νέες προοπτικές για την υλοποίηση μακροσκοπικών κλασικών συστημάτων που εμφανίζουν σύνθετα χωροχρονικά πρότυπα σπασίματος συμμετρίας».
Τα ευρήματα δημοσιεύτηκαν στο Proceedings of the National Academy of Sciences.
