ندای گیلان، فرخنده رفائی: یخ در هنگام ذوب شدن، نظم بلوری خود را از دست می‌دهد، اما مولکول‌های آن همچنان با همسایه‌های نزدیک خود تعامل دارند. گروهی از فیزیکدانان، این واقعیت علمی را به پدیده‌ای عجیب‌تر تعمیم داده‌اند: اگر نظمی که در طول زمان تکرار می‌شود، مانند یک بلور ذوب شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ پاسخ احتمالی آنها حالتی از ماده است که در آن نظم زمانی تا حدی باقی می‌ماند، اما هماهنگی بلندمدت از بین می‌رود.
به گزارش ساینس‌آلرت، پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک سامانه‌های پیچیده در آلمان، مدلی نظری برای حالتی از ماده ارائه کرده‌اند که آن را «مایع زمانی گسسته» نامیده‌اند. این پژوهش هنوز داوری علمی نشده و نتایج آن در پایگاه پیش‌چاپ arXiv منتشر شده است.
ایده این تحقیق به پدیده‌ای به نام «بلور زمانی» مربوط می‌شود. در بلورهای معمولی، ذرات الگویی منظم در فضا تشکیل می‌دهند؛ اما در بلور زمانی، رفتار سامانه در طول زمان با الگویی مشخص تکرار می‌شود. نوعی از این ساختارها که بلور زمانی گسسته نام دارد، می‌تواند با آهنگی متفاوت از محرک خارجی خود نوسان کند؛ برای مثال، با هر دو ضربان محرک، یک چرخه کامل را طی کند.
پژوهشگران به سرپرستی زو وانگ و ماریوس مایکل بررسی کردند که اگر محرک ایجادکننده این نظم، به‌جای ریتمی ثابت، دچار نوسان‌های نامنظم شود، چه اتفاقی می‌افتد. آنها در مدل رایانه‌ای خود، شبکه‌ای دوبعدی از اسپین‌ها را شبیه‌سازی کردند؛ اسپین‌ها را می‌توان مانند پیکان‌های مغناطیسی کوچکی تصور کرد که جهت‌گیری آنها بر رفتار سامانه اثر می‌گذارد. این شبکه با یک محفظه دارای میدان الکترومغناطیسی برهم‌کنش داشت.
نتایج شبیه‌سازی نشان داد که در شرایط مناسب، اسپین‌ها حتی زیر تأثیر نوسان‌های نامنظم نیز می‌توانند با آهنگی منظم، برابر با نصف فرکانس محفظه، تغییر کنند. با این حال، گاهی نظم آنها دچار وقفه می‌شود و سامانه میان دو الگوی تکرارشونده جابه‌جا می‌شود. محققان این اختلال‌ها را «سولیتون‌های زمانی» نامیده‌اند.
در این وضعیت، نظم در بازه‌های زمانی کوتاه حفظ می‌شود، اما هماهنگی کلی سامانه در طول زمان از بین می‌رود؛ رفتاری که به شباهت آن با آب مایع پس از ذوب شدن بلور یخ مربوط است. به بیان ساده‌تر، فیزیکدانان می‌گویند ممکن است حالتی از ماده وجود داشته باشد که ذرات آن حتی در میان بی‌نظمی، الگوی تکرارشونده‌ای در زمان حفظ کنند.
بیشتر بخوانید:
نکته جالب دیگر اینکه در این مدل، افزایش دما ابتدا به شکل‌گیری نظم کمک می‌کند، اما گرمای بیش از حد آن را از بین می‌برد. با وجود این یافته‌ها، مایع زمانی هنوز در آزمایشگاه ساخته نشده است. در صورت تأیید تجربی، این مفهوم می‌تواند به درک بهتر رابطه میان نظم، آشفتگی و رفتار ماده در شرایط مختلف کمک کند.
مهم‌ترین دستاورد احتمالی این ایده، کمک به درک بهتر چگونگی شکل‌گیری نظم در دل آشفتگی است. پژوهشگران می‌خواهند بفهمند چطور یک سامانه می‌تواند با وجود نوسان‌ها و اختلال‌های محیطی، همچنان نوعی نظم را حفظ کند.
اگر وجود «مایع زمانی» در آزمایش‌ها تأیید شود، می‌تواند از چند جهت اهمیت داشته باشد:
شناخت بهتر قوانین حاکم بر ماده: کمک می‌کند بفهمیم نظم در سامانه‌های فیزیکی چگونه شکل می‌گیرد و در چه شرایطی از بین می‌رود.
درک بهتر رفتار ماده در شرایط ناپایدار: نشان می‌دهد آشفتگی همیشه نظم را نابود نمی‌کند و گاهی می‌تواند به شکل‌گیری آن کمک کند.
گسترش پژوهش درباره بلورهای زمانی: امکان بررسی شکل‌های تازه‌ای از نظم زمانی را فراهم می‌کند که با بلورهای زمانی شناخته‌شده تفاوت دارند.
این پژوهش درحال حاضر یک پیشنهاد نظری است و نه کشفی آزمایشگاهی با کاربرد عملی مشخص. هنوز نمی‌توان گفت مایع زمانی به ساخت فناوری تازه‌ای منجر خواهد شد. در صورت تأیید تجربی، مایع زمانی می‌تواند به فیزیکدانان کمک کند بفهمند چگونه نظم در سامانه‌های ناپایدار شکل می‌گیرد و چرا برخی الگوها حتی در میان آشفتگی‌ها دوام می‌آورند.