En 2012, el físico teórico Frank Wilczek propuso un polémico concepto para describir un nuevo estado de la materia que desafiaba las leyes de la física.
«Cristales de tiempo«, los llamó Wilczek, quien en 2004 ganó el Premio Nobel de física.
Un grupo de investigadores alemanes y españoles lograron demostrar la existencia de los cristales de tiempo. La teoría propuesta por Frank Wilczek.
Científicos de la Universidad de Granada -España- y de la Universidad de Tübingen -Alemania- han descubierto una forma de crear cristales de tiempo, una nueva fase de la materia que emula una estructura cristalina en la cuarta dimensión, el tiempo, en lugar de solo en el espacio, a partir de fluctuaciones extremas en sistemas físicos de muchas partículas.
Al principio, varios de los investigadores dijeron que eso era simplemente imposible.
Los cristales de tiempo son un nuevo estado de la materia El hallazgo es especialmente relevante, explicaron los investigadores, en campos como la metrología, para el diseño de relojes más precisos, o en computación cuántica, donde los cristales de tiempo pueden utilizarse para simular estados fundamentales o diseñar ordenadores cuánticos más robustos.
Producir estos cristales nos permitiría medir el tiempo y la distancias con una «precisión exquisita», como escribió Wilczek en un artículo en la revista Scientific American.
En los cristales de tiempo -cuya existencia se sugirió por primera vez en 2012-, los átomos repiten un patrón a través de la cuarta dimensión, el tiempo, a diferencia de los cristales normales (como un diamante), que tienen átomos dispuestos en una estructura espacial repetitiva, ha informado la Universidad de Granada. Estos nuevos cristales temporales se caracterizan por realizar un movimiento periódico en el tiempo.
Los investigadores, entre ellos Rubén Hurtado Gutiérrez, Carlos Pérez Espigares y Pablo Hurtado, del departamento de Electromagnetismo y Física de la Materia de la Universidad de Granada, demuestran en este estudio que ciertas transiciones de fase dinámicas que aparecen en las fluctuaciones raras de muchos sistemas físicos rompen espontáneamente la simetría de traslación en el tiempo.
Los científicos han propuesto un nuevo camino para usar este fenómeno natural para crear cristales de tiempo. Para realizar las simulaciones de este trabajo los científicos han empleado el superordenador Proteus, perteneciente al Instituto Carlos I de Física Teórica y Computacional de la Universidad de Granada, considerado uno de los superordenadores de cálculo científico general más potentes de España.
Patrones que se repiten
Primero debemos tener claro qué es un cristal. En física, un cristal se define como un objeto cuyos átomos están ordenados de tal manera que crean un patrón que se repite.
En un líquido, por ejemplo, las moléculas se distribuyen de manera simétrica, como un enjambre uniforme.
En un cristal, en cambio, las moléculas se agrupan formando redes y estructuras que van creando una secuencia.
Por eso, Wilczek dice que «los cristales son las sustancias más organizadas de la naturaleza«.
Si miras bajo un microscopio, podrás ver, por ejemplo, las estructuras de los cristales de sal o de la nieve.
Entonces, si ya sabemos que un cristal está formado por patrones que se repiten en el espacio, surge la pregunta con la que el asunto se vuelve más interesante: ¿es posible crear un cristal cuyos patrones no se repitan cada cierta distancia, sino cada cierto tiempo?
Romper la simetría
Como dijimos antes, un líquido es simétrico, es decir, sus propiedades son iguales en cualquiera de sus puntos.
Si de alguna manera se logra romper esa simetría, el líquido deja de ser líquido y se convierte, por ejemplo, en un cristal.
Piensa por ejemplo en el agua. En su estado líquido es simétrica, pero al congelarse sus partículas se convierten en cristales que rompen esa simetría, creando un patrón que se repite a lo largo de su estructura.
En su investigación, Hurtado y su equipo querían romper la simetría de un fluido, pero no a lo largo de su espacio, sino del tiempo.
Para ello, en una súpercomputadora simularon aplicarle al fluido algo llamado «campo externo de empaquetamiento«.
Ese campo lo que hace es empujar algunas de las partículas del fluido y frenar a otras, con lo cual se produce una acumulación de partículas que a su vez produce una onda que viaja de manera constante por el sistema.
El resultado fue que el paquete de partículas comenzó a viajar incesantemente por el sistema.
Es como si, paradójicamente, su estado de reposo fuera el movimiento constante a lo largo el tiempo.
«El sistema forma un paquete compacto de partículas que lo hace viajar en el tiempo«, dice Hurtado.
De esa manera surge un estado de la materia que no se comporta como un fluido, pero tampoco como un cristal sólido de los que vemos habitualmente.
¿Para qué pueden servir?
En 2017 algunos trabajos ya habían mostrado de manera experimental la posibilidad de crear otros tipos de cristales de tiempo a nivel cuántico.
El trabajo de Hurtado fue teórico, pero ya no a nivel cuántico, sino en un sistema clásico, es decir, macroscópico.
Samuli Autti, investigador del departamento de física de la Universidad de Lancaster en Reino Unido, quien no estuvo involucrado en esta investigación, le dice a BBC Mundo que el trabajo de Hurtado «es un gran paso» para comprender mejor los cristales del tiempo que en 2012 comenzó a sugerir Wilczek.
Los cristales del tiempo son un área de estudio que está en sus inicios, pero desde ya permiten soñar con impresionantes usos en la ciencia y la tecnología.
Este estado de la materia permite especular, por ejemplo, con la posibilidad de que en un futuro existan máquinas de movimiento perpetuo.
Wilczek también menciona que los cristales de tiempo podrían servir para fabricar relojes mucho más precisos y estables que los poderosos relojes atómicos que ya existen.
También se refiere a la posibilidad de desarrollar GPS mejorados, nuevos métodos para descubrir depósitos minerales mediante la interacción con la gravedad, o la detección de ondas gravitacionales.
Finalmente, Wilczek comenta que descubrir nuevas formas en las que se puede organizar la materia puede llevarnos a entender mejor los agujeros negros y el espacio–tiempo en el cosmos.
Todo eso aún pertenece al terreno de la especulación, pero quizás algún día llegue el momento en que un cristal de tiempo sea más útil y valioso que el más fino de los diamantes.
«La relatividad de Einstein nos enseñó que el tiempo es de alguna manera flexible, y que está inextricablemente unido al espacio en un todo que conocemos como espacio-tiempo«, explicó el investigador Pablo Hurtado.
Esa unificación es, sin embargo parcial, ya que el tiempo sigue siendo especial en muchos sentidos, indica el científico, que pone como ejemplo que «podemos movernos adelante y atrás entre dos puntos cualesquiera en el espacio, pero sin embargo no podemos visitar el pasado; el tiempo tiene una flecha, mientras que el espacio no tiene tal flecha«.
En su estudio, los científicos proponen una ruta inexplorada hasta ahora para construir cristales de tiempo, basada en la observación reciente de ruptura espontánea de la simetría de traslación temporal en las fluctuaciones de sistemas de muchas partículas. Los resultados, dijeron los investigadores, son importantes porque abren un camino inexplorado para entender mejor el tiempo y sus simetrías, mientras que, a nivel práctico, enseñan nuevas formas de crear cristales de tiempo.
