ذوب شدن معمولاً فرآیندی نسبتاً ساده در نظر گرفته میشود؛ گذار تدریجی یک ماده جامد به حالت مایع و افزایش آنتروپی. اما به نظر میرسد حداقل یک ماده در جهان وجود دارد که این فرآیند را به شکلی متفاوت طی میکند.
در شکلی شگفتانگیز از ماده به نام «کریستال فضا-زمان»، زمان و فضا میتوانند به طور مستقل ذوب شوند. فیزیکدانان در دانشگاه جیائو تونگ شانگهای چین با استفاده از یک آزمایش رومیزی که در آن صدها دیسک پلاستیکی روی یک صفحه لرزان حرکت میکنند، برای اولین بار ذوب شدن یک کریستال فضا-زمان را مشاهده کردند و دریافتند که این فرآیند در سه مرحله مجزا رخ میدهد.
این کشف که در نشریه آکادمی ملی علوم منتشر شده است، اولین فرصت را برای فیزیکدانان فراهم میکند تا نحوه فروپاشی این حالت غیرمعمول ماده را مشاهده کنند.
واژه «کریستال» ممکن است تداعیگر منشورهای درخشان سنگهای شفاف باشد، اما در فیزیک به نحوه آرایش اتمها در یک ماده اشاره دارد. کریستال، ماده جامدی است که در آن اتمها یک شبکه سهبعدی بسیار منظم را تشکیل میدهند که در فضا تکرار میشود؛ یعنی هر بخشی از شبکه میتواند کاملاً بر بخش دیگری از آن منطبق شود.
کریستال فضا-زمان حالتی است که ساختار آن نه تنها در فضا، بلکه در زمان نیز تکرار میشود. نوسانات اتمها یک ریتم پایدار و تکرارشونده را ایجاد میکنند که بارها و بارها چرخه خود را طی میکند.
فیزیکدانان هنوز در تلاشند تا این حالت ماده را درک کنند، اما ساخت بلورهای زمانی دشوار و حفظ پایداری آنها برای بررسی خواصشان، دشوارتر است.
یکی از بهترین راهها برای درک یک حالت ماده، مشاهده نحوه از دست دادن نظم آن است. برای کریستالهای معمولی، دههها مطالعه ذوب شدن پدیدههای فیزیکی مانند نقصها، شکست تقارن و گذار فاز را به فیزیکدانان آموخته است. بنابراین منطقی است که مشاهده ذوب شدن یک کریستال فضا-زمان نیز بینشهایی را به همراه داشته باشد.
کریستالهای فضا-زمان کوانتومی چالشهای قابل توجهی را برای چنین مشاهدهای ایجاد میکنند، بنابراین محققان به یک جایگزین اثباتشده روی آوردند: آنالوگ کلاسیک.
این سیستم شامل یک سطح صاف است که محققان آن را با فرکانس ۱۰۰ هرتز (۱۰۰ بار در ثانیه) میلرزانند. این شبیه به صفحه چالدنی است، اما با یک تفاوت اساسی. در صفحه چالدنی، دانههای شن مهاجرت میکنند تا الگوهای امواج ایستاده فرکانس را مشخص کنند.
در این آزمایش به جای دانههای شن، از دیسکهای پلاستیکی کوچکی استفاده میشود که هر کدام شش پایه زاویهدار شبیه پین در زیر خود دارند. هر بار که صفحه حرکت میکند، پایهها برای لحظهای کوتاه با آن برخورد میکنند و در نتیجه ضربات تصادفی از نیروی محرکه دریافت میکنند.
بنابراین، به جای نظم مرتب دانههای چالدنی، دیسکها به طور آشفتهای تکان میخورند.
اما اگر تعداد کافی از آنها را در کنار هم روی سطح قرار دهید، اتفاق جالبی رخ میدهد. دیسکها به طور خودجوش در یک کریستال مثلثی سازماندهی میشوند، در حالی که کل شبکه شروع به چرخش به عنوان یک جسم صلب واحد میکند و تقریباً هر ۵ ساعت یک دور کامل میزند. این حرکت هماهنگ میتواند علیرغم نویز قابل توجه، تقریباً یک روز دوام بیاورد.
نکته مهم این است که این حرکت ۵ ساعته با لرزش ۱۰۰ هرتزی صفحه متفاوت است. بنابراین نوسان با دوره طولانی به طور مستقل از نیروی محرکه پدیدار میشود که صرفاً انرژی را به دیسکها میرساند.
برای ایجاد سناریوی ذوب، محققان با کاهش تراکم، برخی از دیسکها را برداشتند. کریستال به جای بازگشت تدریجی به آشفتگی اولیه، در سه مرحله مجزا ذوب شد.
ابتدا، زمانبندی هماهنگ در نواحی موضعی شروع به شکست کرد، در حالی که بقیه کریستال به رقص خود ادامه داد. سپس ریتم کاملاً از هم پاشید، حتی در حالی که کریستال نظم فضایی خود را تا حد زیادی حفظ کرده بود. در نهایت، خود شبکه از هم گسیخت و مشابه یک سیال نامرتب شد.
محققان دریافتند که دو فرآیند فیزیکی متفاوت باعث ذوب شدن میشوند. از دست دادن نظم زمانی ناشی از تضعیف برهمکنشها بین ذرات است، در حالی که فروپاشی خود کریستال با گسترش نقصها در شبکه اتفاق میافتد.
این نتیجه نشان میدهد که قوانین حاکم بر نظم در زمان اساساً با قوانین حاکم بر نظم در فضا متفاوت است.
این بدان معنا نیست که تمام کریستالهای فضا-زمان به این شکل ذوب میشوند، اما نشان میدهد که فضا و زمان میتوانند در طول ذوب شدن از یکدیگر جدا شوند؛ کشفی که راههای جدیدی را برای کاوش گذار فاز در سیستمهای کلاسیک باز میکند.
محققان نوشتند «نتایج تجربی ما یک سناریوی ذوب پیچیده سه مرحلهای را آشکار میکند که در آن نظم کریستالی فضایی و زمانی در مقادیر بحرانی مجزا و از طریق مکانیسمهای فیزیکی متفاوت ذوب میشوند و از استقلال این تقارنهای فضا-زمان پشتیبانی میکند.»
آنها افزودند: «یافتههای ما وجود فازهای کریستالی غیرتعادلی عجیب ماده را در فضا-زمان تثبیت کرده و راههای جدیدی را برای تحقق سیستمهای کلاسیک ماکروسکوپی که الگوهای پیچیده شکست تقارن فضایی-زمانی را نشان میدهند، باز میکند.»
این یافتهها در نشریه آکادمی ملی علوم منتشر شدهاند.
