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Cristales de Tiempo...teorías sobre el tiempo

Cristales de Tiempo podrían cambiar las teorías sobre el tiempo
Créditos: Hartmut Häffner
Cristales de Tiempo podrían cambiar las teorías sobre el tiempo.

Físicos tienen previsto crear un "cristal del tiempo", un objeto teórico que se mueve en un patrón de repetición sin utilizar la energía, en el interior de un dispositivo llamado trampa de iones.

En febrero de 2012, el físico Frank Wilczek, el ganador del Premio Nobel, decidió hacer pública una idea un tanto extraña y vergonzosa, que le preocupaba.

Por imposible que pareciera, Wilczek había desarrollado una prueba aparente de los "cristales de tiempo" -estructuras físicas que se mueven en un patrón repetitivo, como diminutos relojes de redondeo, sin gastar energía o concluir-.



A diferencia de los relojes u otros objetos conocidos, los cristales del tiempo derivan su movimiento no de la energía almacenada, sino de una ruptura de la simetría del tiempo, lo que permite una forma especial de movimiento perpetuo.

"La mayoría de la investigación en la física es una continuación de las cosas que han pasado antes", explica Wilczek, profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Esto, es "una especie fuera de lugar."

La idea de Wilczek se une con una débil respuesta de los físicos.

Él, un brillante profesor conocido por desarrollar teorías exóticas que más tarde entraron en la corriente principal, incluyendo la existencia de partículas llamadas axiones y aniones, además del descubrimiento de una propiedad de las fuerzas nucleares conocidas como libertad asintótica (por la que compartió el Premio Nobel de Física en 2004) .

Pero el movimiento perpetuo, considerado imposible por las leyes fundamentales de la física, es difícil de admitir.

 ¿El trabajo constituye un avance importante o posee una lógica defectuosa?

Jakub Zakrzewski, profesor de física y óptica atómica en la Universidad Jagellónica de Polonia, escribió una perspectiva de la investigación que acompaña la publicación de Wilczek, donde escribe: "Simplemente no lo sé."

Ahora, un avance tecnológico ha hecho posible a los físicos poner a prueba la idea.

Planean construir un cristal del tiempo, no con la esperanza de que este movimiento perpetuo vaya a generar una fuente inagotable de energía (como los inventores se han esforzado en vano de hacer por más de mil años), pero puede contribuir a una mejor teoría del tiempo mismo.

Un concepto loco

La idea surgió a Wilczek mientras preparaba una conferencia de clase en 2010. "Estaba pensando en la clasificación de los cristales, y entonces, se me ocurrió que es natural pensar en el espacio y el tiempo juntos", dijo.

"Así que si usted piensa en cristales en el espacio, es muy natural también para pensar en la clasificación de la conducta cristalina del tiempo."

En la materia cristaliza, sus átomos se organizan espontáneamente en filas, columnas y pilas de una red tridimensional. Cada átomo ocupa un "punto de la red", pero el equilibrio de fuerzas entre los átomos no les permite habitar el espacio entre ellos.

Debido a que los átomos de repente tienen un discreto, no continuo, conjunto de opciones para que puedan existir, se les denomina cristales para romper la simetría espacial de la naturaleza - la regla habitual de que todos los lugares en el espacio son equivalentes.

Pero ¿qué pasa con la simetría temporal de la naturaleza - la regla de que los objetos permanezcan estables a través del tiempo?

El ganador del Premio Nobel el físico Frank Wilczek ha desarrollado teorías extravagantes que eventualmente entran en la corriente principal. "Por supuesto que no todo lo que hago funciona", agrega.

Wilczek reflexionó sobre la posibilidad. Con el tiempo, sus ecuaciones indican que los átomos pueden formar un enrejado con una repetición regular en el tiempo, volviendo a su disposición inicial sólo después de intervalos discretos (no continuos), se rompe la simetría del tiempo.

Sin consumo o producción de energía, cristales del tiempo serían estables, en lo que los físicos llaman su "estado fundamental", a pesar de las variaciones cíclicas de la estructura que los científicos dicen que se puede interpretar como movimiento perpetuo.

"Para un físico, esto es realmente un concepto loco para pensar en un estado fundamental, que es dependiente del tiempo", comenta Hartmut Haffner, físico cuántico de la Universidad de California en Berkeley.

"La definición de un estado fundamental es que esta en energía cero. Pero si el estado es dependiente del tiempo, implica que los cambios de energía o algo están cambiando. Algo se mueve alrededor."

¿Cómo puede algo moverse y mantenerse en movimiento por siempre, sin gasto de energía? Parece una idea absurda -una ruptura importante de las leyes aceptadas de la física-.

Pero los papeles de Wilczek en mecánica cuántica y clásica sobre cristales del tiempo (este último co-escrito por Alfred Shapere de la Universidad de Kentucky) sobrevivieron a un panel de revisores expertos y se publicaron en Physical Review Letters, en octubre de 2012.

Wilczek no pretende conocer si existen objetos que rompan la simetría del tiempo en la naturaleza, pero de forma experimental trata de hacer uno.

"Es como dibujar objetivos y esperar flechas para golpearlos", comenta. "Si no hay una barrera lógica tal comportamiento sucederá, por lo que espera se lleve a cabo."

La gran prueba

En junio, un grupo de físicos dirigido por Xiang Zhang, un ingiero especializado en nanotecnología en Berkeley y Tongcang Li, físico e investigador de post doctorado en el grupo de Zhang, propuso la creación de un cristal del tiempo en forma de un anillo persistente basado en rotación de átomos cargados, o iones.

 (Li dijo que había estado contemplando la idea antes de leer la investigación de Wilczek.) El artículo del grupo se publicó con Wilczek en la revista Physical Review Letters.

Desde entonces, un solo crítico -Patrick Bruno, físico teórico en la Instalación Sincrotrón Europea de Radiación en Francia -ha expresado su desacuerdo con la literatura académica. Bruno piensa que Wilczek y compañía erróneamente han identificado un comportamiento dependiente del tiempo en objetos con estados energéticos excitados, en lugar de sus estados fundamentales.

No hay nada sorprendente acerca de objetos con excedente de energía que se mueven de manera cíclica, con el movimiento de descomposición en el cual disipe energía.

Para ser un cristal del tiempo, un objeto debe exhibir movimiento perpetuo en su estado fundamental.

El comentario de Bruno y la respuesta de Wilczek aparecieron en la revista Physical Review Letters de marzo de 2013.

Bruno demostró que un estado de energía más baja es posible en un sistema modelo que Wilczek había propuesto como un ejemplo hipotético de un cristal cuántico de tiempo.

Wilczek considera que aunque no es ejemplo de un cristal de tiempo, no concibe el error al "poner en tela de juicio conceptos básicos."

"He demostrado que el ejemplo no es correcto", reitera Bruno. "Pero no tengo ninguna prueba general, hasta ahora, por lo menos."

El debate probablemente no se liquidará el punto de vista teórico. "La pelota está realmente en las manos de nuestros colegas experimentales", comparte Zakrzewski.

Un equipo internacional dirigido por científicos de Berkeley están preparando un elaborado experimento de laboratorio, aunque puede tomar "entre tres y el infinito" años en completarse, dependiendo de los fondos o dificultades técnicas imprevistas, describe Haffner, el investigador co-principal con Zhang.

La esperanza es que los cristales de tiempo impulsen la física más allá de las leyes precisas, pero al parecer imperfectas para la mecánica cuántica y abrir el camino a una teoría más grande.

"Estoy muy interesado en ver si puedo hacer una nueva contribución a raíz como Einstein", agrega Li. "La mecánica cuántica no es completa."


Para construir un anillo de Ion


anillo de Ion

Una ilustración del experimento cristal del tiempo previsto. Los campos eléctricos se utilizarán para acorralar a los iones de calcio en una "trampa" 100 micrones de ancho, donde formarán un anillo cristalino.

Los científicos creen que un campo magnético estático hará que el anillo gire.

En la teoría de la relatividad general (el conjunto de leyes que rigen la gravedad y estructura a gran escala del universo) de Albert Einstein, las dimensiones del tiempo y el espacio se entrelazan en la misma tela, conocido como el espacio-tiempo.

Pero en la mecánica cuántica (las leyes que gobiernan las interacciones en la escala subatómica), la dimensión temporal se representa de una manera diferente a las tres dimensiones del espacio - "una asimetría preocupante y estéticamente desagradable", define Zakrzewski.

Los diferentes tratamientos de tiempo pueden ser una fuente de incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica cuántica, por lo menos uno de los cuales debe ser modificado para que haya una teoría que abarque toda la gravedad cuántica (ampliamente visto como un objetivo importante de la física teórica). ¿Qué concepto de tiempo es la correcta?

Si los cristales del tiempo son capaces de romper la simetría del tiempo de la misma manera que los cristales convencionales rompen la simetría espacial, se puede decir "que en la naturaleza dos cantidades parecen tener propiedades similares, y que en última instancia, deben reflejarse en una teoría", comparte Häffner.

Esto sugeriría que la mecánica cuántica no es suficiente, y que una mejor teoría cuántica podría tratar el tiempo y el espacio como dos hilos de la misma tela.

El equipo de Berkeley intentará construir un cristal del tiempo mediante la inyección de 100 iones de calcio en una pequeña cámara rodeada por electrodos.

El campo eléctrico generado por los electrodos acorralará a los iones en una "trampa" 100 micrones de ancho, o más o menos la anchura de un cabello humano.

Los científicos deben calibrar con precisión los electrodos para suavizar el terreno. Debido a que las cargas iguales se repelen, los iones se manifestarán en el espacio de manera uniforme alrededor del borde exterior de la trampa, formando un anillo cristalino.

Al principio, los iones vibrarán en un estado excitado, pero los láseres de diodo, como los que se encuentran en los reproductores de DVD se usarán para dispersar gradualmente lejos la energía cinética extra.

Según los cálculos del grupo, el anillo de iones debe acomodarse en su estado fundamental cuando los iones sean enfriados por el láser de alrededor de una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto.

El acceso a este régimen de temperatura a largo plazo podría haber sido obstruido por el calor que emana la trampa de fondo de electrodos, pero en septiembre, una técnica de avance para la limpieza de contaminantes de la superficie de electrodos habilitó una reducción de 100 veces el calor de fondo en la trampa de iones.

"Eso es exactamente el factor que tenemos que hacer llegar esta experiencia", opina Häffner.

A continuación, los investigadores cambiarán el campo magnético-estático en la trampa, lo que en su teoría dice debería inducir a los iones para comenzar a girar (y seguir haciéndolo indefinidamente).

Si todo va según lo previsto, los iones se desplazarán en torno a su punto de partida, a intervalos determinados, formando un entramado repitiendo regularmente en el tiempo, rompiendo de esta forma la simetría temporal.

Para ver la rotación del anillo, los científicos emplearán uno de los iones con un láser, efectivamente marcado por ponerlo en un estado electrónico diferente a los otros 99 iones.

Se mantendrá brillante (para revelar su nueva ubicación) cuando los otros estén oscurecidos por un segundo láser.

Si el ion brillante está girando el anillo a una velocidad constante, los científicos demostrarán, por primera vez, que la simetría de translación de tiempo puede ser rota. "Realmente va a desafiar nuestro entendimiento", añade Li. "Pero primero tenemos que demostrar que realmente existe."

Hasta que eso ocurra, algunos físicos seguirán siendo muy escépticos. "Personalmente, creo que no es posible detectar el movimiento en el estado fundamental", describe Bruno.

 "Ellos pueden ser capaces de hacer un anillo de iones en una trampa toroidal y hacer algo de física interesante con eso, pero no van a ver su reloj cada vez que hace tictac como ellos dicen."

Créditos: Hartmut Häffner.
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