Kuvittele pallo, joka on maassa. Kaikkien kappaleiden tavoin sillä on joukko fyysisiä ominaisuuksia, jotka ilmaisevat sen kolmiulotteisen muodon. Pallo on säännöllisen pyöreä, ja sillä on tietty läpimitta, josta taas sen – ihan niin kuin muidenkin pyöreiden esineiden – ympärysmitta riippuu.
Tämä pallo on kuitenkin sikäli poikkeuksellinen, että sen muotoon vaikuttaa neljäs ulottuvuus: aika. Joka kymmenes sekunti pallo muuttaa itsestään muotoaan ja muuttuu soikeaksi. Kymmenen sekunnin päästä se muuttuu uudestaan pyöreäksi. Tällainen pallo on neliulotteinen.
Vielä vähän aikaa sitten jokainen fyysikko piti neliulotteisen pallon olemassaoloa mahdottomana, koska se rikkoo tiettyjä perusluonteisia luonnonlakeja. Hiljattain kaksi tutkimusryhmää sai kuitenkin toisistaan tietämättä mikroskooppisten kiteiden hiukkaset kääntymään ja muuttamaan ominaisuuksiaan säännöllisesti. Kiteet edustavat aivan uutta aineen olomuotoa, joka ei ole kiinteä, nestemäinen, kaasumainen eikä plasmamainen vaan joka on ajasta riippuvainen.
Tutkijat puhuvat aikakiteistä ja pitävät niitä mahdollisina ratkaisun avaimina kehitettäessä tulevaisuuden vakaita, vähän energiaa kuluttavia kvanttitietokoneita.
Onko ikiliikkuja nyt keksitty?
Aikakiteet olivat aluksi olemassa vain Nobelin palkinnon saaneen yhdysvaltalaisfyysikon Frank Wilczekin päässä. Hänen ideansa perustui tavallisiin kolmiulotteisiin kiteisiin, kuten suola- ja jääkiteisiin.
Kiteet ovat atomitasolla kiinnostava fysiikan tutkimuskohde, koska ne rikkovat niin sanottua avaruudellista symmetriaa. Se ilmenee esimerkiksi lasillisessa nestemäistä vettä. Vesimolekyylit täyttävät astian tasakoosteisesti, mikä tarkoittaa sitä, että kaksi eri kohdista astiaa otettua näytettä ovat kauttaaltaan samanlaiset.
Kun vesi jäätyy lasissa ja saa kiinteän kidemuodon, molekyylit järjestyvät toistuviksi pysyviksi rakenteiksi, jotka ovat avaruudellisesti epäsymmetrisiä. Siksi kahdesta eri kohdasta otetut näytteet eivät ole täysin yhtäläiset.
Eroa voidaan havainnollistaa leikkaamalla samankokoiset palat kahdesta erilaisesta matosta, joista toinen on yksivärinen, toinen kuviollinen. Yksivärisestä matosta voidaan ottaa näytekappale mistä vain, eikä se muutu siitä miksikään. Kuviomatosta irrotettavan palan ulkonäköön taas vaikuttaa se, mistä kohtaa leikataan.
Kun Wilczek tutki kiderakenteita vuonna 2012, hän alkoi pohtia, voisiko olla olemassa aineita, jotka eivät olisi ainoastaan avaruudellisesti epäsymmetrisiä kuten kiteet vaan myös ajallisesti epäsymmetrisiä. Käytännössä ominaisuus tarkoittaisi sitä, että kappale, joka ei saa eikä luovuta energiaa, voi muuttaa ominaisuuksiaan pelkästään siksi, että aika kuluu. Mattoesimerkin tapauksessa ajallisesti epäsymmetrisen tekstiilin kuvio ei siis riippuisi siitä, mistä kappale leikataan, vaan siitä, milloin se leikataan.
Vaikka idea otettiin enimmäkseen innostuneesti vastaan, se herätti myös ärtymystä. Hiukkaset, jotka muuttuvat itsestään ajan mittaan, sotivat nimittäin yhtä fysiikan pääperiaatetta vastaan. Sen mukaan maailmankaikkeuden energiamäärä on vakio, toisin sanoen energiaa ei voi syntyä eikä kadota, mutta sen muodot voivat muuttua toisiksi kuten lämpö valoksi.
Jos aikakiteet muuttavat muotoaan ilman lisättyä energiaa, niiden pitää nyhjäistä sitä tyhjästä. Niinpä aikakide on ikiliikkuja, jota fysiikan lakien mukaan ei kuitenkaan voi olla olemassa.
Aikakiteet kohtaavat vastustusta
Tiedeyhteisön piti tietenkin ottaa kantaa Wilczekin ideaan. Vuonna 2015 Kalifornian ja Tokion yliopistojen tutkijat hautasivat idean ikiliikkujasta ikuisiksi ajoiksi todistettuaan teoreettisesti, että fysiikan lakien mukaan aikakiteet eivät ole mahdollisia niin sanotussa termisessä tasapainossa.
Termisessä tasapainossa oleva kappale ei voi luovuttaa lämpöä eikä vastaanottaa sitä ympäristöstä. Fysiikassa lämmöllä ymmärretään hiukkasten liike-energiaa, joten kappaleella, joka on termisessä tasapainossa, ei ole liikkeinä ilmenevää vuorovaikutusta ympäristön kanssa. Tutkijat totesivat, että aikakiteet voivat liikkua vain, jos ympäristö ”pukkaa”. Siten aikakiteiden on fyysisesti mahdotonta muuttaa muotoaan ilman ulkopuolista apua, mikä taas on Wilczekin idean peruslähtökohta.
Tutkimus jatkui kuitenkin toisaalla. Jos aikakiteitä ei voi olla olemassa termisessä tasapainossa, ehkä ne ovat mahdollisia epätasapainotilassa.
Viime vuosina kvanttifyysikot ovat tutkineet niin sanottua monen kappaleen lokalisaatiota. Ilmiö esiintyy, kun joukko atomeja ei ole termisessä tasapainossa. Tällöin ne ovat sitoutuneet näkymättömästi ja voivat vaikuttaa toisiinsa.
Ilmalla täytetyssä säiliössä atomit jakautuvat normaalisti säiliön sisällä tasaisesti ja liikkuvat sattumanvaraisesti ympäriinsä toistensa lomassa. Monen kappaleen lokalisaation avulla atomit voivat vaikuttaa toisiinsa niin, että atomit esimerkiksi kertyvät säiliön toiselle laidalle tai liikkuvat ympäriinsä jollakin erityisellä tavalla.
Mahdottomasta tuli mahdollista
Laboratoriossa tehtiin timantissa olevista pienistä hiukkasista aikakiteitä.
Läpimurto tehtiin vuonna 2015, kun yhdysvaltalaisen Princetonin yliopiston tutkijat todistivat, että ”mahdottomat” kiteet ovat teoriassa mahdollisia, jos ne liikkuvat tasaisin välein monen kappaleen lokalisaation avulla.
Uudessa selityksessä atomit eivät liiku täysin itsestään, koska muuten ne rikkoisivat fysiikan pääsääntöjä. Atomit eivät myöskään liiku ulkopuolisen vaikutuksen takia, vaan ne liikuttavat toinen toistaan.
Fysiikan porsaanreikä innosti tutkijoita testaamaan teoriaa käytännössä, ja vuoden 2017 alussa kaksi tutkimusryhmää onnistui samoihin aikoihin luomaan neliulotteisia kiteitä. Eri lähestymistavoista huolimatta yhdysvaltalaiset Marylandin ja Harvardin yliopistot päätyivät samaan tulokseen.
Marylandissa tutkijat ampuivat laserpulsseja alkuaine ytterbiumia olevaan ketjuun, jonka ionit sitoutuivat toisiinsa monen kappaleen lokalisaation kautta. Laserpulssit pukkasivat ioneja ja saivat ne vaihtamaan magneettikenttiensä suuntaa edestakaisin yhtä aikaa.
Huomiota herätti erityisesti se, että vaihdosten väli pysyi samana, vaikka laserpulssien väli muuttui. Ytterbiumioniketjulla oli siis oma rytminsä, jonka voidaan sanoa olevan sen massan ja sähkövarauksen tapainen perusominaisuus.
Harvardissa tutkijat sen sijaan pukkasivat mikroaaltopulsseilla timantissa olevia pieniä hiukkasia. Tässäkin tapauksessa hiukkaset kääntyivät säännöllisin välein.
Kvanttitietokone saa supervoimat
Laboratoriossa todistetusta uudesta ilmiöstä on oltu hyvin innoissaan fysiikan alalla. Aikakiteet ovat nimittäin ensimmäinen todiste siitä, että aine kykenee järjestäytymään aikaulottuvuudessa.
Kiteitä voidaan pitää maailmankaikkeuden omina kellokoneistoina, jotka pitää vain tyrkätä käyntiin. Sitten kello käy tasaiseen tahtiin – aina ja ikuisesti. Tällaisista kelloista voi olla hyötyä kehitettäessä kvanttitietokoneita, joiden kaikkia ongelmia ei ole vielä ratkaistu.
Kvanttitietokoneissa kubitit eli kvanttibitit korvaavat tavallisten tietokoneiden transistorit. Transistorit toimivat pieninä katkaisimina, jotka sytyttämällä ja sammuttamalla voivat ilmaista kaksi vaihtoehtoista tilaa, toisin sanoen nollan ja ykkösen.
Aikakiteiden magneettikentän säännöllinen kääntyminen voi ottaa tämän tehtävän hoitaakseen ilman sitä energiaa, jonka transistorien toiminta vaatii. Lisäksi aikakiteet vievät vähemmän tilaa, joten pienemmältä alalta saadaan enemmän suorituskykyä.
Aikakiteiden kyky säilyttää rytminsä ulkoisista vaikutuksista, kuten laserpulsseista, huolimatta lupaa hyvää ajatellen niiden käyttöä kubitteina. Tähän asti ongelmana on ollut löytää kubiteiksi sopivia hiukkasia, jotka eivät ole epäluotettavia käytännössä.
Marylandin yliopiston tutkijoiden mukaan aikakiteillä tehtävät kokeet saattavat johtaa uuden fysiikan osa-alueen kehittymiseen. Vaikka kiteet ovat olemassa laboratoriossa vain vähän aikaa ja ne ovat erittäin pieniä, perusperiaatteet on nyt selvitetty.
Kvanttifyysikko, Marylandin yliopiston professori Christopher Monroe arvelee, että myös aikakiteitä voi syntyä luonnostaan samaan tapaan kuin erikokoisia suolakiteitä.
Jos Monroen arvaus on oikea, maailmankaikkeus voi olla tulvillaan neliulotteisia kiteitä, joiden olemassaoloa ei ole osattu aikaisemmin aavistaakaan.