Het eerste tijdruimte-kristal: de klok die eeuwig meegaat

Er is helaas geen gesproken versie van dit artikel beschikbaar

Stel je een klok voor die zelfs na een eventuele warmtedood van het universum de tijd nog kan bijhouden.

Een vierdimensionaal kristal heeft in zowel de ruimte als de tijd een periodieke structuur.

---Lees verder na dit advertentieblokje---

Met een dergelijk kristal zouden wetenschappers de fysieke eigenschappen en gedragingen van de collectieve wisselwerking tussen een groot aantal deeltjes op een geheel nieuwe manier kunnen bestuderen.

Een tijdruimte-kristal zou gebruikt kunnen worden om fenomenen in de kwantumwereld te bestuderen, zoals bijvoorbeeld verstrengeling, een fenomeen waarbij twee of meer natuurkundige objecten zodanig verbonden zijn dat het ene object niet meer volledig beschreven kan worden zonder het andere specifiek te noemen, ook al zijn beide objecten ruimtelijk gescheiden.

Coulomb-wrijving

Een tijdruimte-kristal bestond enkel als concept in de hoofden van natuurkundigen die nog niet wisten hoe ze er één moesten bouwen. Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van onderzoekers van het Berkeley Lab van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft nu een experimenteel ontwerp voorgesteld van een tijdruimte-kristal. Het kristal is gebaseerd op de ionenval van een elektrisch veld en de Coulomb-wrijving van deeltjes met dezelfde elektrische lading.

“Het elektrische veld van de ionenval houdt geladen deeltjes op hun plaats en de Coulomb-wrijving zorgt dat ze spontaan een kristal vormen,” zei Xiang Zhang van het Berkeley Lab. “Bij een zwak statisch magnetisch veld begint dit ringvormige ionenkristal oneindig te roteren.”

Vervolgens zorgt de kwantummechanica ervoor dat de deeltjes, die zich dicht bij het absolute nulpunt van -273 graden Celsius bevinden, geen elektrisch en magnetisch veld meer nodig hebben.

Entropie

In theorie moet het kristal zelfs de tijd kunnen blijven meten wanneer het universum door de maximale entropie in een thermodynamisch evenwicht zou komen. Eerder dit jaar opperde theoretisch natuurkundige en Nobelprijswinnaar Frank Wilczek dat een kristal zichzelf zou kunnen herhalen in de vierde dimensie: tijd. Hij wist echter nog niet hoe hij een dergelijk tijdkristal zou moeten realiseren.

Een kristal is een hoeveelheid periodiek gerangschikte atomen of moleculen. Denk aan ijs, zout of sneeuwvlokken. Kristallisatie vindt plaats door bijvoorbeeld het langzaam afkoelen van een stof vanuit de vloeibare toestand. Wanneer de vloeistof geheel is omgezet naar een vaste fase, is er een materiaal ontstaan dat bestaat uit vele kleine stukjes kristal. Elk stukje kristal heeft haar ionen of moleculen in dezelfde richting staan, maar de kristallen onderling kunnen een verschillende draaihoek ten opzichte van elkaar hebben.

Perpetuum mobile

Zhang en zijn collega’s borduren voort op deze uitgangspunten om het tijdruimtekristal te bouwen. Een ring van gevangen ionen die roteren reproduceren zichzelf na verloop van tijd. Door deze periodieke structuur in zowel de ruimte als de tijd is het tijdruimte-kristal geboren.

Het enige verschil tussen een tijdruimte-kristal en een perpetuum mobile, een apparaat dat eenmaal in beweging, uit zichzelf blijft bewegen, is dat een tijdruimte-kristal geen energie opwekt, merkt Tongcang Li van het Berkeley Lab op. Het onderzoek zal verschijnen in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters. Download hier (pdf) een kopie van de studie.

Bron: Lbl.gov

Gerelateerd:

Blijf op de hoogte & steun onafhankelijke journalistiek