Se predice la existencia de cristales temporales

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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Comments (10)

  1. Oscar

    Impresionante y muy interesante. Y muy didáctico. Tengo que leerlo más definitivamente, pero como primera impresión:

    Lo más natural parece que haya movimiento. Eso de tener algo congelado en el espacio como idea está bien, pero en el mundo físico hay movimiento. Es lo más natural. En ese sentido el movimiento es perpétuo, sí. Otra cosa es que con él puedas hacer algo útil, que es lo que se pretendía saber cuándo la termodinámica comenzó a desarrollarse. Pero el movimiento ahí está. Las cosas se mueven.

  2. Dr. Astonished

    Pues a mí me cuesta un huevo entender lo que dicen, aunque creo que me hago una idea muy básica.

    Un sólido cristalino (lo que entiendo que ellos llaman “cristal en el espacio”) es una estructura de la materia donde las partículas que lo conforman se disponen espacialmente de tal manera que minimizan todas las interacciones entre ellas, intervengan las fuerzas que intervengan. Es efectivamente un estado de mínima energía (ocupa un mínimo local en una función matemática). Ahora, como todos los estados, depende de su entorno, e incluso la cristalización viene determinada naturalmente por éste.

    No soy capaz de imaginar qué entienden por “cristal temporal” en casos concretos, entiendo que es una abstracción matemática derivada de emplear fórmulas similares pero sustituyendo las coordenadas espaciales por las temporales. Como no entiendo un pijo porque no dan detalles, pues no me entero de ná :D

    • Oscar

      Yo tampoco es que me entere. He hecho un comentario al hilo de algunos párrafos. Pero es un lío de cuidado, eso está claro. Hay que andarse con mucho ojo. Es muy difícil tratar de divulgar este tipo de trabajos sin dar detalles.

  3. Por lo que puedo leer y entender viene a ser como una especia de “Bateria de energia temporal”; vamos un punto del espacio donde aparentemente no hay actividad visica por supuesta falta de energia y por tanto esta quieto y ante mediciones clasicas s epuede decir que no tiene energia ese sistema, pero si se le brinda la poportunidad de des-equilibrarlo de nuevo (romper la simetria) la energia no esta acumulada en el espacio si no en el tiempo y por tanto en realidad seria que se acumulo energia en la dimension del tiempo y por tanto fuera de nuestro universo tridimensional. Es eso lo que quieren decir? (Dios mio, sueno como un capitulo del DOctor Who???!!!)

  4. [...] am y archivada en Fí­sica. Puedes seguir cualquier respuesta a esta entrada a través del feed RSS 2.0. Puedes dejar una respuesta, o trackback desde tu propio sitio web. [...]

  5. OzzyBulla

    Yo llevo dos pasada y mi intuición sigue perpleja. Me recuerda una conversación con un gran amigo a la luz de unas cervezas en que concluíamos que en 0 absoluto el tiempo debe cristalizarse. Sin una intervención exógena (inyección de energía), se mantendrá su estado cristalizado en esa sección del tiempo, mientras el “resto” del tiempo seguirá fluyendo.

  6. Amigos míos, la perplejidad es general y, hay veces, en las que nuestras mentes no habituadas a ciertas terminologías y parámetros poco usuales, quedan en un limbo de no comprensión que es de lo más comprensible.

    Aquí se está hablando de cuestiones muy profundas que, el pueblo llano, no tiene, en su vida cotidiana, nada con lo que comparar y, de esa menera, se nos va “de las manos” el entendimiento de:

    “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.”

    Y, también cuestiones como: El movimiento perpetuo en ese ámbito que mencionan o, “¿permite el universo la formación de periodicidades similares en el tiempo?”

    Wilczek, que ganó el premio Nobel de Física en 2004 (creo) por La Libertas Asintótica de los Quarks, nos tiene acostumbrados a cuestiones complejas y, en este caso, está acometiendo algo que, seguramente, dará mucho que hablar.

    Ya nos enteraremos mejor y más ampliamente, cuando, llegado el momento en que el tema esté más estudiado y los experimentos lleven a zonas más profundas pero, al mismo tiempo, más accequibles al entendimiento de los comunes saberes de la gente llana.

  7. Alburton

    Por lo que he leido en webs de divulgación anglosajonas un cristal temporal sería un movimiento cíclico como el de un pendulo o el de la tierra,pero en un objeto cuántico a energia cero.
    Esto parece implicar que como esta a energía cero no puede perder energía a pesar de estar moviendose y si se dominase se podrían llegar a usar como qubits,o algo.

    En fin,que se le ha ocurrido y al tio se le estan haciendo los ojos chiribitas de arcoiris porque resulta que en la descripción matemática de los estados base esto implica la existencia de una singularidad de tipo Hans en las matrices de Higgs de dimensión imaginaria!
    ¿Sabes como te digo?
    Pues eso.

  8. jurmerian

    personalmente, lo que más me gusta durante estas fases iniciales de una posible teoría, es cómo vuela mi imaginación.

  9. [...] Hace un par de meses echábamos un vistazo a la idea de cristales temporales, una idea propuesta por el ganador del Premio Nobel de física Frank Wilczek y su colega Al Shapere. [...]

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