Ajan neste: miten ajallinen järjestys syntyy melussa

Kuvittele jäätä, joka ei täysin menetä kuviotaan sulaessaan, kuin kiteisen järjestyksen sirpaleet leijailemassa nesteessä. Outoa. Kaunista. Aavemaisen häiritsevää. Voisiko aika käyttäytyä samalla tavalla?

Kaksi fyysikkoa Max Planck -instituutin Kompleksisten järjestelmien fysiikan yksiköstä, Zuo Wang ja Marios H. Michael, ovat hahmotelleet teoreettisen maailmankaikkeuden, jossa näin tapahtuu. Malli korvaa täydellisen metronomisen ajurin meluisalla, lämpöisestä värinästä koostuvalla ympäristöllä ja kysyy, mitä tapahtuu diskreetille aikakiteelle, kun sen tasainen rytmi varastetaan.

Seurataksesi heidän ajatteluaan, kuvittele kaksiulotteinen levy pieniä kvanttinuolia, spinnejä, jotka tökkivät naapureitaan. Aseta tuo levy nyt onttoon sähkömagneettiseen kammioon. Tavallisessa kertomuksessa ulkoinen periodinen voima (esimerkiksi laser) tökkii spinnejä ja systeemi vastaa subharmonisella rytmillä: kaksi ajurin iskua synnyttää yhden kollektiivisen värähtelyn. Se on diskreetti aikakide, ajassa esiintyvä periodinen rakenne tilan sijasta.

Mutta Wang ja Michael vaihtivat täydellisen ajurin tasaisen vasaran lämpöisten fluktuaatioiden levottomaan naputteluun. Kammion meluisa kenttä muuttuu epäsäännölliseksi rummuttajaksi. Interaktiivisten spinitilojen simulaatiot tämän oikukkaan ajurin alla paljastivat yllättävän pysyvyyden: monet spinit lukkiutuvat edelleen rytmiin, joka vastaa kammion keskimääräisen taajuuden puolta. Ne pitävät aikaa yhdessä, mutta vain paikallisesti. Ajan mittaan kuvio lipsahtaa ja alue siirtyy vastaavaan ajoitukseen. Nämä siirtymät etenevät järjestelmässä kuin lokalisoituneet aikavirheet; kirjoittajat kutsuvat niitä aika-solitoneiksi.

Tulos ei ole kristalli eikä kaaos. Sen sijaan se käyttäytyy kuin ajan neste: lyhyen kantaman ajallinen järjestys säilyy, kun taas pitkän kantaman koherenssi hajoaa. Ajattele jäästä muodostuvaa vettä. Jään laaja kiderakenne on poissa, mutta läheiset molekyylit tanssivat yhä pienissä, toistuvissa kuvioissa. Aikallinen analogi säilyttää paikalliset rytmit mutta menettää ylivertaisen, ikuisesti vakaan vaiheen.

Ehkä kaikkein vastoin odotuksia oleva havainto on lämmön kaksijakoinen rooli. Lämpöinen värinä ei yksinkertaisesti tuhoa järjestystä. Erittäin matalissa lämpötiloissa meluisa ajuri on liian heikko synnyttääkseen kollektiivista rytmiä. Kun lämpötilaa nostetaan, selkeä subharmoninen kuvio puhkeaa. Lämpö, tietyn parametrialueen sisällä, auttaa itse asiassa systeemiä synkronoitumaan. Liiallinen häiritsevyys ja, ennustettavasti, koherenssi romahtaa taas.

Miksi tämä on tärkeää? Koska se avaa käsitteellisen oven. Aikakiteet ovat perinteisesti vaatineet poikkeuksellisen ajurin ja suojan thermalisaatiota vastaan. Ajan neste, toisaalta, vihjaa, että ajallinen järjestys saattaisi säilyä myös silloin, kun ajuri on epätäydellinen, jopa mahdollisesti lämpötasapainossa, olosuhteissa joissa perinteiset aikakiteet yleensä eivät selviydy.

Kaikki tämä on toistaiseksi paperilla ja numeerisissa kokeissa. Tutkijat ovat julkaisseet työnsä arXivissa ennen vertaisarviointia. Laboratoriovarmennus on vaikein osa: alustan rakentaminen, jossa interaktiiviset spinit kytkeytyvät meluiseen kammioon ja jossa tunnistetaan puoli-taajuuden rytmejä ja vaeltelevia aika-solitoneja, ei ole yksinkertaista. Jos kokeet kuitenkin havaitsevat tämän käyttäytymisen, se voisi muuttaa käsitystämme järjestyksen synnystä melusta, ei vain kondensoituneessa aineessa, vaan laajemmin ajettujen kvanttisysteemien kentässä.

Jos havainto varmistuu, ajan neste pakottaisi meidät ajattelemaan uudelleen, miten järjestys syntyy meluisissa ympäristöissä.