Du följer nu ämnet: STOCKHOLMS STAD (sparas i Mitt DN)
Vetenskap

Jakten på den verkliga tidskristallen

I årets julkalender i SVT tänker onda krafter stanna tiden dagen före julafton och Max (Vincent Wettergren), professor Styregaard (Eva Rydberg), Asrin (Monna Orraryd) och Lima (Naima Palmaer) reser till universums mitt för att föröka reparera tidens kristall. Roboten heter Gorbi.
I årets julkalender i SVT tänker onda krafter stanna tiden dagen före julafton och Max (Vincent Wettergren), professor Styregaard (Eva Rydberg), Asrin (Monna Orraryd) och Lima (Naima Palmaer) reser till universums mitt för att föröka reparera tidens kristall. Roboten heter Gorbi. Foto: Ulrika Malm/SVT

En tidskristall är en helt ny sorts materia, med regelbundna mönster i tiden i stället för i rymden. Nobelpristagaren i fysik Frank Wilczek fick idén när han undervisade på en matematikkurs för fem år sedan. Den ansågs omöjlig, men i år tillverkades de första tidskristallerna.

– Spetsen på tidens kristall är trasig. Om vi inte gör något stannar tiden den 23 december, säger professor Styregaard i årets julkalender ”Jakten på tidskristallen” som börjar på fredag.

I ett hörnrum på Albanova vid Stockholms universitet, med utsikt över Brunnsviken, sitter en annan professor, Frank Wilczek. Även han är intresserad av tidskristaller, även om han menar något helt annat än professor Styregaard. 

Frank Wilczeks tidskristaller styr inte tiden. Men de är en helt ny form av materia. 

– Vi fysiker vill gärna se på rum och tid på samma sätt. Så jag tänkte: kan vi ha kristaller som inte bara är regelbundna i den tredimensionella rymden utan också har regelbundna mönster i tiden? 

Tidskristallen i julkalendern ser ut som vi tänker oss en kristall: halvt genomskinlig, med plana ytor, raka kanter och vassa spetsar. Namnet kommer från krystallos, det grekiska ordet för klar is. De raka ytorna och vassa spetsarna beror på att atomerna i kristallen sitter i ordnade rader och regelbundna mönster.

Idén om tidskristaller fick Frank Wilczek för fem år sedan när han skulle hålla en kurs i det som kallas gruppteori, en del av matematiken som hela den moderna fysiken bygger på. 

– Jag ville prata om kristaller. Men när jag undervisar vill jag gärna göra något extra, något annorlunda. Och det fick mig att fundera på det här, säger han.

Det som först var ett tankeexperiment och en räkneuppgift till kursen växte till något större.

”Det här är en helt ny klass av materietillstånd. Men vi är förstås bara i början. Det mest spännande arbetet ligger säkerligen framför oss”, säger Frank Wilczek om tidskristallerna.
”Det här är en helt ny klass av materietillstånd. Men vi är förstås bara i början. Det mest spännande arbetet ligger säkerligen framför oss”, säger Frank Wilczek om tidskristallerna. Foto: Carl Bredberg

– Al Shapere, min forne student, och vän och medarbetare sedan många år, frågade mig: kan de där finnas på riktigt? Hur skulle sådana symmetrier kunna uppstå i riktiga material, och kan det ske spontant?

Frank Wilczek skrev en artikel om tidskristaller i tidskriften Physical Review Letters i oktober 2012. Andra teoretiska fysiker började räkna på fenomenet, och kom fram till att det var omöjligt att de skulle kunna existera.

– Sedan förändrades situationen dramatiskt 2017, när två forskargrupper rapporterade att de hade lyckats skapa något som låg mycket nära den ursprungliga idén om tidskristaller, säger Frank Wilczek.

Tidskriften Nature presenterade resultaten som största nyhet på sin framsida, med rubriken ”Första observationerna av nytt exotiskt materietillstånd”. 

– Det är riktigt ovanligt att Nature lyfter fram ett fysikresultat på omslaget, med en snygg bild och flera nyhetsartiklar kopplade till. Det var verkligen trevligt, säger Frank Wilczek.

Men han hade ingen aning om att genombrottet var på gång.

– Jag visste ingenting. Först några dagar innan det kom i Nature fick jag reda på det. Det var lite förvånande. En av forskarna är en gammal vän till mig, men jag antar att de trodde att jag hade hört rykten om vad de höll på med. Men det var fantastiskt roligt, säger han.

Men händelser kan vara periodiska, som ett hjärta som slår. Det slår, och slår igen, med mer eller mindre jämna intervall… Tänk på dem som mönster av händelser i stället för mönster av atomer. Det är konceptet.

Allting bygger på en bärande idé inom den moderna fysiken: strävan efter symmetri.

– Det är så vi har kommit fram till många av de grundläggande naturlagarna, genom att försöka hitta ekvationer med enorma mängder symmetri.

Symmetrin hos kristaller har fascinerat människor i många hundra år. På 1800-talet studerade forskare dem i detalj, och de karakteristiska former och vinklar som skapas när kristaller klyvs, och som juvelerare använder sig av när de slipar ädelstenar till smycken. Kristallernas former kanske avslöjade en inre, mikroskopisk struktur, där atomerna var ordnade efter samma symmetrier som kristallen, tänkte forskarna. 

– Under 1900-talet lärde vi oss att det stämmer. Att undersöka hur kristaller bildas har varit mycket fruktbart för vår förståelse av egenskaperna hos fast materia, säger Frank Wilczek.

Med kvantmekaniken lärde sig fysikerna hur atomernas mönster styr ett materials egenskaper, på många sätt.

– Det är så vi kan förstå halvledare, till exempel, och hur elektronernas energier är kopplade till kristallernas symmetrier. Din Iphone skulle vara otänkbar om vi inte hade den djupa förståelsen av materialen, säger Frank Wilczek.

I en kristall sitter atomerna regelbundet ordnade i mönster, med samma avstånd mellan sig. Motsvarande mönster i tiden, i en tidskristall, är svårare att föreställa sig.

– Atomer kan ju inte bara dyka upp och försvinna regelbundet i tiden. Men händelser kan vara periodiska, som ett hjärta som slår. Det slår, och slår igen, med mer eller mindre jämna intervall.

Det är så vi kan förstå vad en tidskristall är.

– Tänk på dem som mönster av händelser i stället för mönster av atomer. Det är konceptet, säger Frank Wilczek. 

Nu när fysiker har lyckats skapa tidskristaller är nästa fråga vad de kan användas till. I framtidens kvantdatorer eller i hyperkänsliga instrument för att mäta magnetfält är två förslag.

– Det här är en helt ny klass av materietillstånd. Men vi är förstås bara i början. Det mest spännande arbetet ligger säkerligen framför oss.  

Så här i efterhand tycker Frank Wilczek att tidskristaller var en självklar idé.

– Den var i den mest intressanta kategorin. Det är inte för lätt, men det är inte heller omöjligt. Det är den skönaste platsen, där man kan göra nya saker, säger han.

På Frank Wilczeks skrivbord ligger romanen ”Hundraåringen som klev ut genom fönstret och försvann” av Jonas Jonasson. Han blev anställd vid Stockholms universitet förra året, och försöker lära sig svenska.

– Jag kan läsa en del, men kan verkligen inte prata särskilt bra. Och jag förstår bara om folk pratar mycket långsamt. Men jag jobbar på det, säger han.

Första riktiga närkontakten med Sverige fick Frank Wilczek 2004, när han var här och tog emot Nobelpriset i fysik för sina upptäckter om den så kallade starka kraften, som håller ihop kvarkarna inuti protonerna och neutronerna i atomkärnan.

Då fick han också se en skymt av en av sina favoritplatser i Stockholm: Gröna Lund.

– Jag var verkligen förbryllad då, och undrade vad det var som stack upp där borta.

Nu går han dit så ofta han kan. När han höll i en fysikkonferens nyligen bytte de ut den sedvanliga utflykten med båt i skärgården mot ett besök på Gröna Lund.

– Det finns ju en massa fysik att diskutera där. Hur berg och dal-banor fungerar, och fritt fall och sånt. Men jag gillar Eclipse mest, säger Frank Wilczek.

Nobelpriset har varit mycket viktigt för honom som forskare. 

– Att bli uppskattad och få känna att man kan göra viktiga saker är ett riktigt stort steg mot att faktiskt göra viktiga saker. Du måste vara beredd att ta risker, och inte bli avskräckt så lätt, säger han.

Så här jobbar DN med kvalitetsjournalistik: uppgifter som publiceras ska vara sanna och relevanta. Rykten räcker inte. Vi strävar efter förstahandskällor och att vara på plats där det händer. Trovärdighet och opartiskhet är centrala värden för vår nyhetsjournalistik. Läs mer här.