La existencia de cristales de tiempo más cerca de ser probada

En febrero de 2012, el ganador del Premio Nobel de física Frank Wilczek decidió hacer pública una idea un tanto extraño y vergonzosa que le preocupaba. Por imposible que pareciera, Wilczek había desarrollado una prueba aparente de la existencia de “cristales de tiempo” estructuras físicas que se mueven en un patrón repetitivo, como las agujas de un reloj, sin gastar energía o sin acabarla del todo nunca. A diferencia de los relojes u otros objetos conocidos, los cristales del tiempo obtendrían su movimiento no de la energía almacenada, sino de una ruptura de la simetría del tiempo, lo que permitiría una forma especial de movimiento perpetuo.

“La mayoría de la investigación en física es una continuación de cosas que han pasado antes”, dijo Wilczek, profesor en el Instituto de Tecnología de Massachusetts. Esto, dijo, es “una especie de sinsentido.”

La idea de Wilczek obtuvo una débil respuesta de los físicos. Se trataba de un brillante profesor conocido por desarrollar teorías exóticas que más tarde entraban en la corriente principal, algunas que incluyen la existencia de partículas llamadas axiones y aniones, y el descubrimiento de una propiedad de las fuerza nuclear 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, era algo difícil de tragar. ¿El trabajo constituye un avance importante o tiene una lógica defectuosa? Jakub Zakrzewski, profesor de física y la jefe de óptica atómica en la Universidad Jagellónica de Polonia, quien escribió una reflexión sobre la investigación que acompañó la publicación de Wilczek, dice: “Simplemente, no lo sé”

Ahora, un avance tecnológico ha hecho posible que los físicos puedan 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 parar lograr durante más de mil años), sino para contribuir a una mejor teoría del tiempo mismo.

La idea se le ocurrió 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 pensamos en cristales en el espacio, es muy natural también pensar en una clasificación de la conducta cristalina del tiempo.”

Cuando la materia cristaliza, sus átomos se organizan espontáneamente en  filas, columnas y pilas de una red tridimensional. Un átomo ocupa cada “punto de la red”, pero el equilibrio de fuerzas entre los átomos no les permite habitar el espacio entre sí. Debido a que los átomos de repente tienen un discreto, no continuo, conjunto de opciones para de existir, se dice que los cristales rompen la simetría espacial de la naturaleza; la regla que dice 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 permanecen estables a través del mismo tiempo.

Wilczek reflexionó sobre la posibilidad durante meses. Con el tiempo, sus ecuaciones indicaban que los átomos podían formar un enrejado hecho repitiendo regularmente el tiempo, volviendo a su disposición inicial sólo después de intervalos discretos (no continuos), rompiendo así la simetría del tiempo. Sin consumo o producción de energía, los cristales de tiempo serían estables, en lo que los físicos llaman “estado fundamental”, a pesar de las variaciones cíclicas de la estructura que los científicos dicen que se pueden interpretar como movimiento perpetuo.

“Para un físico, pensar en un estado fundamental dependiente del tiempo es realmente una locura“, dice Hartmut Haffner, físico cuántico de la Universidad de California en Berkeley. ”La definición de un estado fundamental es que su energía es cero. Pero si el estado es dependiente del tiempo, implica que la energía o algo está realmente variando. Algo se mueve alrededor. “

¿Cómo puede algo moverse y mantenerse en movimiento para siempre, sin gasto de energía? Parecía una idea absurda; una ruptura importante de las leyes aceptadas de la física. Pero los trabajos de Wilczek en física cuántica y clásica sobre ristales de tiempo (este último co-escrito con 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 pretendía conocer si existen objetos que rompan la simetría del tiempo en la naturaleza, pero quería experimentar para tratar de crear uno.

“Es como dibujar  dianas y esperar que las flechas golpeen en ellas”, dijo. ”Si no hay una barrera lógica a este comportamiento, entonces espero que se logre.”

En junio, un grupo de físicos dirigido por Xiang Zhang, un nanoengiero de Berkeley y Tongcang Li, físico e investigador postdoctoral en el grupo de Zhang, propusieron la creación de un cristal de tiempo en forma de anillo persistente de rotación de átomos cargados, o iones. (Li dijo que había estado contemplando la idea antes de leer los artículos de Wilczek.) El artículo del grupo se publicó junto a Wilczek de en la revista Physical Review Letters.

Desde entonces, un solo crítico -Patrick Bruno, un físico teórico en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón en Francia- ha expresado su desacuerdo. Bruno piensa que Wilczek y compañía identifican erróneamente un comportamiento dependiente del tiempo de objetos en estados energéticos excitados, en lugar de  estados fundamentales. No hay nada sorprendente acerca de los objetos con excedente de energía que se mueven de manera cíclica, con el movimiento de descomposición se disipa la energía. Para ser un cristal de 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 en 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 de tiempo. Wilczek dijo que aunque el ejemplo no es un cristal de tiempo, no creo que el error “ponga en tela de juicio los conceptos básicos.”

“He demostrado que el ejemplo no es correcto”, dijo Bruno. ”Pero no tengo ninguna prueba general… hasta ahora, por lo menos.”

El debate probablemente no se liquidará des el punto de vista teórico. “La pelota está realmente en las manos de nuestros colegas experimentadores”, dijo Zakrzewski.

Un equipo internacional dirigido por científicos de Berkeley está preparando un experimento de laboratorio elaborado, aunque puede llevar “entre tres e infinitos años en completarse”, dependiendo de los fondos o dificultades técnicas imprevistas, dijo Haffner, que es el investigador co-principal junto con Zhang. La esperanza es que los cristales de tiempo impulsarán la física más allá de las leyes precisas, pero al parecer imperfectas de la mecánica cuántica y abriran el camino a una teoría más grande.

“Estoy muy interesado en ver si puedo hacer una nueva contribución a la idea de Einstein”, dijo Li. ”Ya que dijo que la mecánica cuántica no es completa.”

En la teoría de la relatividad general (el conjunto de leyes que rigen la gravedad y la estructura a gran escala del universo) de Albert Einstein, las dimensiones del tiempo y el espacio se entrelazan en la misma tela, conocido como espacio-tiempo. Pero en la mecánica cuántica (las leyes que gobiernan las interacciones a escala subatómica), la dimensión temporal se representa de una manera diferente a las tres dimensiones del espacio ; “una asimetría preocupante, y estéticamente desagradable”, dijo Zakrzewski.

Los diferentes tratamientos de tiempo pueden ser una fuente de incompatibilidad entre la relatividad general y la mecánica cuántica, por lo que al menos una de ellas debe ser modificada para que haya una teoría del todo que abarque la gravedad cuántica (algo ampliamente visto como un objetivo importante de la física teórica). ¿Qué concepto de tiempo es el correcto?

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, “esto implicaría que en la naturaleza las dos cantidades parecen tener propiedades similares, y que en última instancia, deben reflejarse en una teoría”, dijo 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-LED intentará construir un cristal de tiempo mediante la inyección de 100 iones de calcio en una pequeña cámara rodeada por electrodos. El campo eléctrico generado por los electrodos atrapa los iones en una “trampa” de 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, que forma un anillo cristalino.

Al principio, los iones vibrarán en un estado excitado, pero láseres de diodo, como los que se encuentran en los reproductores de DVD, se utilizarán para dispersar gradualmente 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 láser alrededor de una mil millonésima de grado sobre el cero absoluto. El acceso a este régimen de temperatura  había sido obstruido por el calor que emana del fondo de la trampa de electrodos, pero en septiembre, una técnica de avance para la limpieza de contaminantes de la superficie de electrodos ha habilitado una reducción de 100 veces el calor fondo de la trampa de iones. “Eso es exactamente el factor que tenemos para llevar este experimento al alcance”, dijo Häffner.

A continuación, los investigadores cambiarán a un campo magnético estático en la trampa, lo que la teoría dice debería inducir a los iones a 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 repetido regularmente a la vez que rompen la simetría temporal.

Para ver la rotación del anillo, los científicos usarán uno de los iones con un láser marcado para ponerlo en un estado electrónico diferente a los otros 99 iones. Se mantendrá brillante (y revelará su nueva ubicación) cuando los otros estén oscurecidos por un segundo láser.

Si el ion brillante está girando alrededor del anillo a una velocidad constante, los científicos habrán demostrado, por primera vez, que la simetría de translación de tiempo puede ser rota. “Realmente va a desafiar nuestros conocimientos”, dijo 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”, dijo Bruno. “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 perpetuo como aseguran.”

Autor: Natalie Wolchover

Enlace original: Time Crystals’ Could Upend Physicists’ Theory of Time