Se predice la existencia de cristales temporales

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Artículo publicado el 16 de febrero de 2012 en The Physics Arvix Blog

Si existen cristales en dimensiones espaciales, entonces deberían existir en la dimensión del tiempo también, dice un físico ganador del Nobel.

Una de las ideas más potentes de la física moderna es que el universo está gobernado por la simetría. Ésta es la idea de que ciertas propiedades de un sistema no cambian cuando pasa por una transformación de algún tipo.

Por ejemplo, si un sistema se comporta de la misma manera sin importar su orientación o movimiento en el espacio, debe obedecer la ley de conservación del momento.

Cristales © by Velo Steve


Si un sistema produce el mismo resultado sin importar cuándo tiene lugar, debe obedecer la ley de conservación de la energía.

Tenemos que agradecer a la matemática alemana Emmy Noether, esta poderosa forma de pensar. De acuerdo con su famoso teorema, cada simetría es equivalente a una ley de conservación. Y las leyes de la física son, básicamente, el resultado de la simetría.

Igualmente potente es la idea de la ruptura de simetría. Cuando el universo muestra menos simetría de la que describen las ecuaciones, los físicos dicen que se ha roto la simetría.

Un conocido ejemplo es la solución de baja energía asociada a la precipitación de un sólido a partir de una solución – la formación de cristales, que tienen una periodicidad espacial. En este caso se rompe la simetría espacial.

Los cristales espaciales están bien estudiados y se comprenden bien. Pero generan una interesante pregunta: ¿permite el universo la formación de periodicidades similares en el tiempo?

Hoy, Frank Wilczek del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y Al Shapere de la Universidad de Kentucky, debaten esta pregunta y concluyen que la simetría temporal parece igual de rompible que la espacial a bajas energías.

Este proceso debería llevar a periodicidades que ellos llaman cristales temporales. Es más, los cristales temporales deberían existir, probablemente justo delante de nuestras narices.

Vamos a explorar esta idea con algo más de detalle. Primero, ¿qué significa que se rompa la simetría en un sistema? Wilczek y Shapere creen que es algo así. Imaginan un sistema en su estado de energía más bajo que está descrito por completo, independientemente del tiempo.

Debido a que está en su menor estado de energía, este sistema debería estar congelado en el espacio. Por tanto, si el sistema se mueve, debe romper la simetría temporal. Ésto  es equivalente a la idea de que el estado de menor energía tiene un valor mínimo en una curva sobre el espacio, en lugar de un punto aislado.

Ésto en realidad no es tan extraordinario. Wilczek señala que un superconductor puede transportar una corriente – el movimiento masivo de electrones – incluso en su estado de energía más bajo.

El resto, básicamente, es matemáticas. De la misma forma que las ecuaciones de la física permiten la formación espontánea de cristales espaciales, periodicidades en el espacio, también deben permitir la formación de periodicidades en el tiempo, o cristales temporales.

En particular, Wilczek considera la ruptura espontánea de la simetría en un sistema mecánico cuántico cerrado. Aquí es donde las matemáticas se hacen un poco extrañas. La mecánica cuántica obliga a los físicos a pensar en valores imaginarios para el tiempo o iTiempo, como lo llama Wilczek.

Demuestra que deberían surgir las mismas periodicidades en el iTiempo y que deberían manifestarse como un comportamiento periódico de distintos tipos de propiedades termodinámicas.

Ésto tiene un número de consecuencias importantes. Primero está la posibilidad de que este proceso proporcione un mecanismo para medir el tiempo, dado que el comportamiento periódico es como un péndulo. “La formación espontánea de un cristal temporal representa el surgimiento espontáneo de un reloj”, dice Wilczek.

Otra posibilidad es que puedan aprovecharse los cristales temporales para realizar cálculos usando energía cero. Como dice Wilczek: “es interesante especular que un…sistema mecánico cuántico cuyos estados pudiesen interpretarse como colecciones de qubits, podrían ajustarse para atravesar un paisaje programado de estados estructurados en un espacio de Hilbert a lo largo del tiempo”.

En conjunto es un argumento simple. Pero la simplicidad, a menudo, es aparentemente potente. Por supuesto, habrá debate sobre algunos de los problemas que se generan. Uno de ellos es que el movimiento que rompe la simetría temporal parece un tanto desconcertante. Wilczek y Shapere lo reconocen: “Hablando con franqueza, lo que estamos buscando se parece mucho al movimiento perpetuo”.

Esto necesitará alguna defensa. Pero si alguien tiene el pedigrí para proponer estas ideas, es Wilczek, que es ganador del Premio Nobel de Física.

Estaremos atentos al debate que se avecina.


Artículos de Referencia:
arxiv.org/abs/1202.2539: Quantum Time Crystals
arxiv.org/abs/1202.2537 Classical Time Crystals

Fecha Original: 16 de febrero de 2012
Enlace Original

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