در حوزه فیزیک پیشرفته، حالتهای ماده فراتر از جامد، مایع و گاز تعریف میشوند و بررسی ساختارهای پیچیده ماده دریچهای تازه به سوی شناخت قوانین بنیادی جهان میگشاید. یکی از عجیبترین مفاهیم مطرحشده در فیزیک معاصر، کریستال فضا زمان است؛ مادهای که برخلاف کریستالهای معمولی نه تنها در فضا، بلکه در بعد زمان نیز ساختاری تکرارشونده و منظم دارد. در حالی که ذوب شدن مواد معمولی فرایندی نسبتا شناختهشده و ناشی از افزایش آنتروپی جامد و تبدیل آن به مایع است، آزمایشهای جدید نشان میدهند که شکستن نظم در ابعاد زمان و مکان سازوکار کاملا متفاوتی دارد و میتواند مفاهیم پایه ترمودینامیک را دگرگون کند.
شناخت حالتهای غیرتعادلی ماده مانند بلورهای زمانی به دانشمندان کمک میکند تا مرزهای دانش تجربی را گسترش دهند. همانطور که مطالعه رفتار ماده و حرکت در فضا به درک بهتر مکانیک نیوتنی و کوانتومی کمک میکند، بررسی نوسانات پایدار در سیستمهای هدایتشونده نیز پرده از رازهای شکست تقارن برمیدارد. کریستالهای زمانی سیستمهایی هستند که حتی در وضعیت پایدار، ریتم حرکتی خود را بدون نیاز به نیروی نوسانی بیرونی همدوره حفظ میکنند.
تلاش برای ساخت و نگهداری کریستالهای زمانی کوانتومی همواره با چالشهای فنی و فروپاشی سریع همراه بوده است. از این رو فیزیکدانان برای مشاهده رفتار این فازها به مدلهای کلاسیک روی آوردهاند تا نحوه فروپاشی نظم آنها را تحلیل کنند. در این مسیر، بررسی مفاهیم تازه مانند فناوریهای پیشرفته و نظریههای فضایی نشان میدهد که چگونه آزمایشهای رومیزی ساده میتوانند رفتارهای پیچیده اخترفیزیکی و کوانتومی را شبیهسازی کنند.
گروهی از دانشمندان دانشگاه شانگهای جیاوتونگ با بهرهگیری از یک صفحه ارتعاشی و صدها دیسک کوچک پلاستیکی موفق شدند مدل کلاسیک کریستال فضا زمان را بسازند و برای نخستین بار فرایند ذوب شدن آن را پایش کنند. نتیجه این آزمایش نشان داد که فروپاشی نظم زمانی و مکانی بهصورت همزمان اتفاق نمیافتد، بلکه این فرایند طی سه مرحله کاملا مجزا و ناشی از دو مکانیسم فیزیکی متفاوت رخ میدهد.
سازوکار ساخت کریستال فضا زمان در آزمایشگاه
برای درک چگونگی شکلگیری این پدیده، باید تفاوت آن را با کریستالهای کریستالوگرافی سنتی سنجید. در یک بلور معمولی، اتمها در یک شبکه سهبعدی تکرارشونده چیده شدهاند. اما در کریستال فضا زمان علاوه بر نظم فضایی، الگوی حرکتی اتمها در فواصل زمانی مشخص و ثابت تکرار میشود. فیزیکدانان در این آزمایش رومیزی از صفحهای استفاده کردند که با فرکانس 100 هرتز میلرزید. روی این صفحه دیسکهای پلاستیکی ششپایهای قرار داده شد که با ضربات صفحه ارتعاشی به حرکت درمیآمدند و رفتاری کاملا آشفته از خود نشان میدادند. دادههای گزارشهای منتشرشده نیز این بخش از ماجرا را روشنتر میکند.
با افزایش تراکم دیسکها روی صفحه، اتفاقی شگفتانگیز افتاد. دیسکها بهطور خودبهخودی در یک شبکه مثلثی منظم سازماندهی شدند و کل این شبکه مانند یک جسم صلب شروع به چرخش کرد. نکته کلیدی این بود که دوره چرخش کامل این شبکه حدود 5 ساعت طول میکشید؛ فرکانسی که هیچ ارتباط مستقیمی با لرزش 100 هرتزی صفحه زیرین نداشت. این نوسان طولانیمدت به عنوان یک ویژگی نوظهور مستقل شناخته میشود که انرژی خود را از منبع بیرونی میگیرد اما ریتم خود را مستقلا تنظیم میکند.
مراحل سه گانه ذوب شدن کریستال فضا زمان
بررسی نحوه از بین رفتن نظم در سیستمهای فیزیکی، روشی استاندارد برای کشف قوانین حاکم بر فازهای ماده است. برای تحریک سناریوی ذوب، پژوهشگران تراکم دیسکها را با برداشتن تعدادی از آنها کاهش دادند. بر اساس نتایج دقیق این مطالعه فیزیکی که در نشریات تخصصی اعتبارسنجی شده است، بلور حاصل برخلاف تصور قبلی بهیکباره به حالت آشفتگی نخستین بازنگشت، بلکه طی سه مرحله متوالی نظم خود را از دست داد.
در مرحله نخست، همزمانی رفتاری و ریتم زمانی در بخشهای موضعی از شبکه مختل شد، در حالی که ساختار فضایی کریستال همچنان دستنخورده باقی ماند. در مرحله دوم، نظم زمانی بهطور کامل در تمام شبکه فروپاشید اما آرایش فضایی و شبکه هندسی دیسکها تا حد زیادی حفظ شد. در نهایت و در مرحله سوم، شبکه فضایی نیز از هم پاشید و سیستم به یک سیال کاملا بینظم و آشفته تبدیل شد.
تفکیک نظم زمانی از نظم مکانی چه اهمیتی دارد؟
این آزمایش ثابت کرد که دو فرایند فیزیکی کاملا متفاوت، ذوب شدن در ابعاد زمان و مکان را هدایت میکنند. از دست رفتن نظم زمانی ناشی از تضعیف برهمکنشهای میانذرهای است، در حالی که فروپاشی شبکه فضایی به دلیل گسترش نقصهای ساختاری در طول شبکه رخ میدهد. این جدایش فیزیکی نشان میدهد که تقارنهای زمانی و مکانی برخلاف تصورات گذشته، مستقل از یکدیگر رفتار میکنند.
پیامدهای این کشف فراتر از یک آزمایش ساده با دیسکهای پلاستیکی است. جدا شدن نظم زمان از مکان در فرایند ذوب، افقهای جدیدی را برای درک فازهای غیرتعادلی ماده و طراحی سیستمهای کوانتومی پایدار میگشاید. اگرچه شبیهسازی انجامشده یک مدل کلاسیک است، اما قوانین تقارنی استخراجشده میتوانند در ساخت حافظههای کوانتومی، ساعتهای اتمی پیشرفته و تحلیل رفتار ماده در شرایط حد نهایی به کار گرفته شوند.
