Zaman kristalleri dendiği zaman bu ifade kulağa bir bilimkurgu filmine aitmiş gibi gelecektir. Ancak zaman kristalleri gerçektir ve aynı zamanda Hollywood’un üretebileceği her şeyden çok daha ilginçtir. Yıllarca imkansız olduğu düşünüldü ama sonrasında birkaç yıl içinde yarım düzine kadarını bulduk.
2012 yılında Nobel Ödülü sahibi Frank Wilczek, maddenin yeni bir durumunu önermişti. Başlangıçta zaman kristalleri sadece teorik olarak görülüyordu ve deneylerle kanıtlanmasının imkansız olduğu varsayılmıştı. Sonraki yıllarda fizikçiler bunun mümkün olduğunu ispatladılar. Peki ama Frank Wilczek tarafından ilk önerilen zaman kristalleri tam olarak neydi?
Muhtemelen, günlük yaşamımızda her an karşımıza çıkan maddenin temel hallerine (katı, sıvı, gaz) oldukça aşinasınızdır. Ancak bu üç farklı madde türü aslında buzdağının görünen kısmıdır. Aslında bilim insanları sürekli olarak maddenin yeni hallerini keşfetmekle meşguldür. İşte zaman kristali de bunlardan birisi. Ayrıca, bu sadece teoride gerçek bir durum değil. Birkaç araştırmacı, bir kuantum bilgisayar kullanarak, zaman kristali yaratmayı başardılar.
Zaman kristali tam olarak nedir?
Elmas, zümrüt ve hatta bir buz küpü gibi herhangi bir kristali tanımlayan şey, kristalin atomlarının bir şekilde uzayda tekrar eden desenler halinde düzenlenmesidir. Uzayın üç boyutunun yanında bir de dördüncü bir boyutu olan zaman vardır. Bu nedenle fizikçiler, bir kristalin atomlarının zaman içinde tekrar eden desenlerde düzenlenip düzenlenmeyeceğini merak ettiler.
Zaman kristalleri ise zaman boyutu içinde tekrarlayan yapılardır. Doğadaki bir elmas, dengeye ulaşmış yapıdadır ancak bir zaman kristali asla dengeye ulaşamaz. Diğer bir deyişle termodinamik olarak denge-dışıdır. Bu tuhaf özelliklerinden ötürü zaman kristalleri, kuantum teknolojilerinde kendine bir uygulama alanı bulabilir.
Bu Fikir İle Nasıl Tanıştık?
Wilczek, zaman kristalleri fikrini yaratmak için düzenli kristallerin temel bir özelliğini ele almıştı. Bu özellik simetri kırılması idi. Simetri kırılmasının ne olduğunu anlamak için suyu düşünün. Bir su damlacığında moleküller serbestçe hareket edebilir ve sıvı içinde herhangi bir yerde olabilir. Sıvı her yönde aynı görünür, yani yüksek derecede simetriye sahiptir.
Su buz oluşturmak üzere donarsa, moleküller arasındaki kuvvetler devreye girer. Molekülleri kristal halini alacak şekilde yeniden düzenlenmeye zorlar ve moleküller düzenli aralıklarla yerleşir. Artık buzumuz başlangıçtaki su kadar simetrik yapıda değildir. Böylece sıvının simetrisinin kırıldığını söyleyebiliriz.
2012 yılında, bir kristalin simetri kırılması ile aynı şekilde, zamanda simetriyi kıran bir kristal yapmanın mümkün olup olamayacağını merak etti. Böylece zaman kristali fikri doğmuş oldu. O zamandan beri geçen yıllarda, diğer fizikçiler zaman kristallerinin fiziksel varlıklarının neden imkansız olduğu hakkında çeşitli argümanlar sundu.
Aslında bu fikrin imkansızlığını kanıtlayan bazı teoremler vardı. Biz bu teoremleri termodinamiğin ikinci yasası ve enerjinin korunumu adı ile biliyoruz. Düşükten yükseğe enerji durumuna geçiş yapan bir sistemin orijinal durumuna kendiliğinden tekrar geri dönmesi ve daha sonra bu iki durum arasında ileri geri gidip gelmesi yani sonsuz bir hareket aslında bu nedenle mümkün değildir.
Zaman Kristaline Giden Yolculuk
Ancak teorisyenler kısa süre içinde bu teoremlerde bazı boşluklar buldu. Sonrasında da 2016 yılında, Maryland Üniversitesi’ndeki fizikçiler, bir iterbiyum atomu ile ilk zaman kristalini laboratuvarda yarattı. Bunun için, kapalı, sabit bir sistem yerine, denge dışı koşullara sahip bir sistemden yararlanmayı düşündüler. Araştırmacılar parçacıkların kuantum spin olarak bilinen özelliklerinin, dışarıdan uygulanan bir kuvvetle, nasıl devamlı olarak düzenli aralıklarla tersine çevrilebileceğini araştırdı.
Takip eden süreçte de Wilczek’in fikirleri doğrulanmış oldu. Bu başarı da kuantım mekaniğinde yeni bir sayfa açtı. Bunun sonucunda da zaman kristallerinin kuantum bilgisayarlara makul bir şekilde uygulanabileceği kabul edildi. Bildiğiniz gibi, klasik bilgisayarlar gibi silikon parçaları kullanmak yerine, kuantum bilgisayarlar doğrudan atomlar veya parçacıklarla çalışır. Bu, fizikçilerin geleneksel bilgisayarlarla imkansız olan deneyler yapmalarını sağlar. Çünkü kuantum fiziği parçacıkların bir arada birden çok şey olmasına ve parçacıkların görünüşte imkansız mesafelerde etkileşime girmesine izin verir.
Bir Kuantum Bilgisayar İle Zaman Kristali Sonunda Gerçek Oldu!
Zaman kristallerinin öyküsü, bir teorik fizikçinin güzel bir fikir ortaya atmasıyla başlamış ve şimdi ilk kısmı, 5 yılın ardından kesinleşmiş deneysel kanıtla tamamlanmıştı. Nihayet 2021 yılında, Stanford, Princeton ve diğer üniversitelerle iş birliği yapan Google araştırmacıları, Google kuantum bilgisayarını gerçek bir zaman kristali oluşturmak için kullandığını söyledi.
Önceki zaman kristallerinin çoğu kısa ömürlü ve birkaç ileri geri çevirme döngüsünde çözülmüş olsa da, bu son çalışmanın arkasındaki bilim insanları, yarattıkları şeyin kararlı yapıda olduğuna dikkat çekiyor. Peki, bu zaman kristalleri bize bir zaman makinesi yapmaya müsaade edecek mi? Cevap hayır, zaten amaç da o değil. ( Ek okumalar için: Zamanda Yolculuk İçin Gerekli Denklemleri Biliyoruz, Peki Ama Neden Yapamıyoruz?)
Ancak kuantum bilgisayarların daha sağlam hale gelmesine yardımcı olabilirler. Mühendisler, kuantum bilgisayarlarda bellek işlevi görecek bir şey yaratmak için uzun zamandır bir arayış içindeler. Fizikçiler, zaman kristallerinin bu amaca hizmet edebileceğini düşünüyor. Ayrıca bu çalışma kuantum bilgisayarların gücünün bir göstergesi olarak kabul ediliyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- Scientists unveil new form of matter: Time crystals; yayınlanma tarihi: 26 Ocak 2017; Bağlantı: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170126120502.htm
- What the heck is a time crystal, and why are physicists obsessed with them?. Yayınlanma tarihi: 17 Ağustos 2021; Bağlantı: https://www.popsci.com/
- Time crystals—how scientists created a new state of matter; yayınlanma tarihi: 22 Şubat 2017. Bağlantı: https://phys.org/news/2017-02-crystalshow-scientists-state.html
- Mi, Xiao & Ippoliti, Matteo & Quintana, Chris & Greene. Amy & Chen, Zijun & Gross, Jonathan & Arute, Frank & Arya, Kunal & Atalaya. Juan & Babbush, Ryan & Bardin, Joseph & Basso, Joao & Bengtsson, Andreas & Bilmes. Alexander & Bourassa, Alexandre & Brill, Leon & Broughton, Michael & Buckley, Bob & Buell, David & Roushan, Pedram. (2021). Observation of Time-Crystalline Eigenstate Order on a Quantum Processor.
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
