La existencia de 'cristales de tiempo podría ser una realidad'

Una de las ideas más poderosas de la física moderna es que el Universo está gobernado por la simetría. Esta es la idea de que ciertas propiedades de un sistema no cambian cuando se somete a una transformación de algún tipo.

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

Si un sistema produce el mismo resultado, independientemente del momento en que se lleva a cabo, debe obedecer la ley de conservación de la energía.

Tenemos que agradecer al matemático alemán, 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 esencialmente el resultado de la simetría.

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

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

Los cristales espaciales están bien estudiados y son bien entendido. Pero plantean una pregunta interesante: ¿Podría el universo permitir la formación de periodicidades similares en el tiempo?

Frank Wilczek, del Instituto Tecnológico y de Massachussettsi y Al Shapere de la Universidad de Kentucky, discuten esta cuestión y la conclusión a la que han llegado es que la simetría del tiempo parece tan frágil como la simetría espacial a bajas energías.

Este proceso debe conducir a una periodicidad que ellos llaman “cristales de tiempo”. Es más, los cristales del tiempo debe existir, probablemente, delante de nuestras propias narices.

Vamos a explorar esta idea en detalle un poco más. En primer lugar, ¿qué significa para un sistema romper la simetría del tiempo? Wilczek y Shapere piensan en ello como un sistema en su estado de menor energía que se describe completamente, independientemente del tiempo.

Debido a se halla en su estado más bajo de energía, este sistema debe congelarse en el espacio. Por lo tanto, si el sistema se mueve, se debe romper la simetría del tiempo. Esto es equivalente a la idea de que el menor estado de energía tiene un valor mínimo de una curva en el espacio en lugar de en un punto único y aislado.

Eso en realidad no es tan extraordinario. Wilczek, señala que un superconductor puede inducir a una corriente -mediante el movimiento de masas de sus electrones-  a un estado de menor energía.

El resto es esencialmente matemática. De la misma manera que las ecuaciones de física permiten la formación espontánea de cristales espaciales,  (periodicidades en el espacio) también deben permitir la formación de periodicidades en el tiempo o cristales de tiempo.

En particular, Wilczrek considera como espontánea la simetría de un sistema cerrado en mecánica cuántica. Aquí es donde las matemáticas se vuelven un poco extrañas. La mecánica cuántica obliga a los físicos a pensar en valores imaginarios de tiempo o iTime, como lo llama Wilczek.

Se muestra que las periodicidades mismas deben surgir en Itime y esto debe manifestarse como un comportamiento periódico de diversos tipos de propiedades termodinámicas.

Esto tiene varias consecuencias importantes. En primer lugar la posibilidad de que este proceso proporcione un mecanismo para medir el tiempo, ya que el comportamiento periódico es como un péndulo. ”La formación espontánea de un cristal de tiempo representa la aparición misma y espontánea de un reloj”, dice Wilczek.

Otra posibilidad es que pueda ser posible explotar estos cristales del tiempo para realizar cálculos utilizando energía cero. Como Wilczek, dice, “es interesante especular que un sistema, en mecánica cuántica, cuyos estados se podría interpretar como un conjunto de qubits, podría estar diseñado para atravesar un paisaje programada de estados estructurados en el espacio de Hilbert con el tiempo.”

En resumen se trata de un argumento sencillo. Pero la simplicidad es a menudo engañosa. Por supuesto, habrá disputas sobre algunos de los problemas que esta posibilidad plantea. Uno de ellos es que el movimiento que rompe la simetría del tiempo parece un poco desconcertante. Wilczek y Shapere reconocen esto: “Hablando en términos generales, lo que estamos buscando parece peligrosamente cercano al  movimiento perpetuo”

Esta hipótesis necesitará un poco de defensa. Pero si alguien tiene el pedigrí para impulsar estas ideas, es Wilczek, ya que fue ganador del Premio Nobel.

Vamos a ver con interés el debate que genera esta idea

Referencias en arXiv: Quantum Time Crystals Classical Time Crystals

Enlace original: Physicists predict the existence of time crystals