Tendemos a pensar na fusão como um processo relativamente simples – o deslizamento gradual de um material sólido em direção à entropia líquida.
Existe pelo menos um material no Universo que tem uma maneira diferente de fazer isso.
Numa forma exótica de matéria conhecida como cristal do espaço-tempo, o tempo e o espaço podem derreter independentemente.
Usando uma experiência de mesa em que centenas de discos de plástico dançam sobre uma placa vibratória, os físicos da Universidade Shanghai Jiao Tong, na China, observaram pela primeira vez um cristal do espaço-tempo derretendo – e descobriram que o processo se desenrola em três estágios distintos.
A descoberta, publicada no Anais da Academia Nacional de Ciênciasoferece aos físicos a primeira oportunidade de observar como este estado incomum da matéria se desintegra.
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A palavra “cristal” pode evocar prismas cintilantes de rocha translúcida, mas na física refere-se à forma como os átomos estão organizados num material.
Um cristal é um material sólido no qual os átomos formam uma rede tridimensional altamente ordenada que se repete no espaço – ou seja, qualquer parte da rede pode se sobrepor perfeitamente a qualquer outra parte da rede.
Um cristal de espaço-tempo é aquele em que a estrutura se repete não apenas no espaço, mas também no tempo. As oscilações dos átomos formam um ritmo estável e repetitivo que circula continuamente.
Este estado da matéria é aquele que os físicos ainda estão tentando entender, mas os cristais do tempo são difíceis de construir e mais complicados de manter estáveis o suficiente para testar suas propriedades.
Uma das melhores maneiras de compreender um estado da matéria é observar como ela perde a ordem.
Para cristais comuns, décadas de estudo fusão ensinaram físicos sobre fenômenos físicos como defeitos, quebra de simetriae transições de fase. Portanto, é lógico que observar o derretimento de um cristal no espaço-tempo também pode produzir insights.
No entanto, os cristais quânticos do espaço-tempo representariam desafios significativos para tal observação, por isso os investigadores recorreram a um substituto testado e comprovado: o análogo clássico.
Esse sistema consiste em uma superfície plana que os pesquisadores vibram a 100 Hertz (100 vezes por segundo).
É um pouco como um prato Chladni, mas com uma diferença crucial. Em uma placa de Chladni, grãos de areia migram até delinearem os modos permanentes da frequência.
Em vez de grãos de areia, esta experiência utiliza pequenos discos de plástico, cada um com seis pernas anguladas em forma de alfinete na parte inferior. Cada vez que a placa se move, as pernas colidem com ela por um breve momento, resultando em chutes aleatórios da força motriz.
Assim, em vez da ordenação ordenada dos grãos de Chladni, os discos balançam caoticamente.
Mas então, se você juntar um número suficiente deles na superfície, algo fascinante acontece.
Os discos se organizam espontaneamente em um cristal triangular enquanto toda a rede começa a girar como um único corpo rígido, completando uma revolução aproximadamente a cada 5 horas. Esse movimento sincronizado pode persistir por quase um dia, apesar do ruído substancial.
Criticamente, esse movimento de 5 horas é diferente da vibração de 100 Hertz da placa. A oscilação de longo período surge, portanto, independentemente do acionamento, que apenas fornece energia aos discos.
Para induzir o cenário de derretimento, os pesquisadores removeram alguns dos discos para reduzir a densidade. Em vez de decair de volta ao caos inicial de forma gradual, o cristal derreteu em três fases distintas.
Primeiro, o tempo sincronizado começou a falhar em partes localizadas enquanto o resto do cristal continuava a sua dança.
Depois o ritmo desfez-se completamente, embora o cristal mantivesse grande parte da sua ordem espacial.
Finalmente, a própria rede se rompeu e tornou-se análoga a um fluido desordenado.
Os pesquisadores descobriram que dois processos físicos diferentes impulsionam o derretimento. A perda da ordem temporal decorre do enfraquecimento das interações entre as partículas, enquanto o colapso do próprio cristal ocorre à medida que os defeitos se espalham pela rede.
Esse resultado sugere que as regras que regem a ordem no tempo são fundamentalmente diferentes daquelas que regem a ordem no espaço.
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Isto não significa que todos os cristais do espaço-tempo derretem desta forma – mas mostra que o espaço e o tempo podem desligar-se um do outro durante a fusão, uma descoberta que abre novas formas de explorar transições de fase em sistemas clássicos.
“Nossos resultados experimentais revelam um intrincado cenário de fusão em três estágios, no qual a ordem cristalina espacial e temporal derrete em valores críticos distintos e através de diferentes mecanismos físicos, apoiando a independência dessas simetrias do espaço-tempo”, os pesquisadores escrever.
“Nossas descobertas estabelecem a existência de fases cristalinas exóticas da matéria fora de equilíbrio no espaço-tempo e abrem novos caminhos para a realização de sistemas clássicos macroscópicos que exibem padrões complexos de quebra de simetria espaço-temporal.”
As descobertas foram publicadas no Anais da Academia Nacional de Ciências.
Este artigo foi verificado por Rebecca Dyer e editado por Peter Dockrill. Embora nos orgulhemos de nosso processo, somos apenas humanos. Se você encontrar um erro, por favor nos avise.
