時間結晶について
こんにちは。映像作家で小説家の榊正宗です。
今日は、炎天下の中、散歩に行ってきました。梅雨の時期はゲリラ雷雨がいつくるか分からなくて散歩に行けなかったんですよね。熱中症対策にちゃんと水分を持参しました。しかし、めちゃくちゃ暑くて、ペットボトルの水もあっという間に、お湯みたいになっちゃいました（涙）写真は、最近よくアマゾンで買ってるラベルなしウィルキンソンです。キンキンに冷やしているとめちゃくちゃ美味しいのですが、ぬるい炭酸って驚くほどまずいんですよね……（涙）
でも、木陰は思ったより風が涼しくて気持ち良かったですよ～。
さて、今日のテーマは「時間結晶について」です。
🔳時間結晶とは
時間結晶とは、空間と同様に時間においても繰り返される構造のことです。時間結晶のアイデアは2012年ノーベル賞受賞者であるフランク・ウィルチェックよって提唱されました。
原子や分子が空間的な周期性を持って配列された物質が「結晶」ですが、この周期性を時間方向にも拡張した特異な物質が「時間結晶」だとされています。2016年に実際に生成に成功しています。
時間結晶の具体的な応用の方向性としては、通信・レーダー・イメージング技術などがあるそうです。
時間結晶って言う概念ですが、ちょっと……というか、かなり難しいです。なんとか、頑張って、調べてみます！どうか、最後までお付き合いを。
🔳フランク・ウィルチェックの仮説
液体を冷やしていくと、原子が空間の中で自然に一定間隔で並び、結晶を作ります。アインシュタインの相対性理論によれば、空間と時間は同等です。フランク・ウィルチェックは、時間の流れでも、物質の性質が一定の間隔で振動する可能性を示唆しました。
とりあえず、フランク・ウィルチェックという人が発案したということですね。
🔳数学的な否定
2015年、カリフォルニア大学バークレー校の大学院生だった渡辺悠樹さんはウィルチェック教授が提唱した時間結晶が実現できないことを数学的に証明したそうです。
期待の説でしたが、いきなり、全否定されてしまいました。悲しい。
🔳新しいタイプの時間結晶
米国などの研究グループは、放置するのではなく、周期的に変化する力を加えたときに物体の性質がその何倍かの周期でゆったりと振動する新しいタイプの時間結晶の存在の可能性を提唱しました。
ところが、ここで諦める科学者達ではありません。まだこの説には可能性があると考える人が多くいました。
🔳時間結晶の生成
そしてついに、その存在が証明されます。
実際に生成された実験について調べてみましたが、ちょっとなにやってるのか分からないくらい難しいです。一応、下記にまとめました。
メリーランド大学のクリス・モンローは、2016年、時間結晶の生成に成功しました。元素イオンをリング状に並べ、平衡状態を崩すためにレーザーで磁場を形成、イオンのスピンをレーザーパルスで反転させたそうです。その結果、粒子の相互作用により、イオンのスピンが反転し、それが次のイオンへと反転が続き、一定のリズムでスピンを反転させ、その2倍の周期で反転を繰り返す系をつくり出したのだとか。
同じ年に、ハーヴァード大学教授のミハイル・ルーキンは、中心部に窒素原子が存在する特殊なダイヤモンド結晶を使用して時間結晶を生成しました。彼らは強い相互作用と不規則性をもつ約100万個の量子電子のスピンを、マイクロ波パルスで反転させると、系はマイクロ波パルスの3倍の周期でスピン反転を繰り返したのだとか。
これらの実験では、2つの系は確かに時間の並進対称性を破っていることが認められました。
うーん。調べてまとめてみましたが、難しいですね。書いていてもさっぱり理解できません。もう少し分かりやすく解説されているものがないか調べてみました。
🔳時間結晶をもうちょっと分かりやすく
例えば、原っぱに立ってリンゴを落としたとします。この時、その場でリンゴを落とすのと、一歩前に進んでリンゴを落とすのとで落ち方は変わりません。場所ごとに法則が変わらないことを「空間対称性」があると言います。
うん、そりゃそうだ。あたりまえのことですよね。そのくらいは、わかりますよ！
ところが、結晶というのは、どの場所にも均一に原子が存在しているわけではなく、物質の分布に“ムラ”ができることがあるそうです。こういう分布のムラが起きることを「対称性の破れ」と言うのだとか。
あ、なるほど、結晶って性質に“ムラ”ができる特殊な状態なんですね。
先程のリンゴの話にもどりますが、時間が経過しても、リンゴの落ち方は同じですよね。いつリンゴをおとしても落ち方はかわりません。これが「時間の対称性」というわけです。
これも、あたりまえですね。対称性というのは、時間や場所で物事は変化しないという、あたりまえのことを言ってるだけなんですね。
しかし、物質には、結晶という形で、場所によってムラが起きることが分かっています。もしかすると、時間においても結晶と同じ様にムラが発生することがあるのでは？ というのが時間結晶という仮説だったんですね。
時間結晶とは、当初「時間の対称性があるにもかかわらず、ずっと振動を続ける物質」ということだと考えられていました。しかし、実はこのような物質の形態は数学的には存在しないそうです。存在したら、永久機関になってしまって、あらゆる法則が崩壊してしまいます。なので、なにもしていないのに、時間軸に対してムラのある性質をもった物質は存在したら不味いわけです。
ですが、もし、ちょっとだけ手を加えて、その反応が、時間軸に対してムラがあったとしたら？というのが「離散対称性」というものです。
また難しい言葉が出てきましたね。
日常の世界ではブランコをある周期で揺らせば、その周期でしか普通は振動しませんよね。ところが、早かったり遅かったりする周期で揺れるムラのある動きが実際に観測されてしまったのです。
つまり、揺らしてみて揺れ方が変化したことで、時間結晶の存在が証明されたというわけです。
時間結晶を一言で言えば、「時間の経過によって、ランダムに動く物質を生成できる」ということが分かったということのようです。
時間結晶は量子コンピュータや量子シミュレータで生成できるそうです。この性質を応用することで、小さな量子コンピュータ上で巨大な複雑ネットワーク解析やデータの指数的圧縮などを通じて、様々な応用が期待されているそうです。
なんでそんなことになるのか分かりませんが、とにかく、まあ、なんというか、量子の世界凄いですね！と、すこし誤魔化しましたが、このあたりは機会があればまた調べてみたいと思います。
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