Στο Ινστιτούτο Φυσικής Συμπυκνωμένης Ύλης του Τεχνικού Πανεπιστημίου του Darmstadt, μια ομάδα ερευνητών πέτυχε κάτι που μέχρι τώρα φαινόταν ανέφικτο πειραματικά: τη μέτρηση του εσωτερικού «ρολογιού» των υλικών – του κρυφού ρυθμού που καθορίζει πώς γερνάει το γυαλί και άλλα άμορφα στερεά.
Υπό την καθοδήγηση των Till Böhmer και Thomas Blochowicz, η ομάδα παρατήρησε για πρώτη φορά τη συμπεριφορά του λεγόμενου «χρόνου του υλικού», μιας έννοιας που είχε διατυπωθεί πριν από περισσότερα από πενήντα χρόνια, αλλά μέχρι σήμερα δεν είχε επιβεβαιωθεί με εμπειρικά δεδομένα.
Αναθεωρώντας την έννοια του χρόνου
Για να κατανοήσει κανείς το μέγεθος αυτής της ανακάλυψης, πρέπει προσωρινά να ξεχάσει την κοινή αντίληψη του χρόνου ως κάτι γραμμικό, ομοιόμορφο και αμετάκλητο. Στην καθημερινή ζωή, ο χρόνος ρέει μόνο σε μία κατεύθυνση: Ένα ποτήρι που πέφτει στο πάτωμα σπάει, αλλά ποτέ δεν επανέρχεται στην αρχική του μορφή.
Αυτή η αρχή, γνωστή ως “μη αναστρεψιμότητα”, υποστηρίζεται από τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος δηλώνει ότι η αταξία -ή εντροπία- ενός συστήματος τείνει πάντα να αυξάνεται.
Από την πλευρά των φυσικών εξισώσεων που περιγράφουν την κίνηση, ωστόσο, δεν υπάρχει τίποτα που να αποτρέπει τις διαδικασίες να συμβούν αντίστροφα στον χρόνο: Ένα εκκρεμές που ταλαντώνεται σε κενό συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο, είτε το παρατηρήσει κανείς κανονικά είτε σε αναπαραγωγή προς τα πίσω.
Η αιτία της γήρανσης των υλικών
Μέχρι σήμερα, θεωρούνταν δεδομένο ότι η γήρανση των υλικών είναι ξεκάθαρα μια μη αναστρέψιμη διαδικασία, όπως το σπάσιμο του ποτηριού. Όμως, το πείραμα στο Darmstadt εισάγει μια απρόσμενη παράμετρο: η γήρανση, όταν παρατηρείται μέσα από το πλαίσιο του «εσωτερικού χρόνου» του υλικού, ίσως δεν είναι τόσο μονοδιάστατη όσο φαίνεται.
Συγκεκριμένα, οι μοριακές κινήσεις μέσα στο γυαλί παρουσιάζουν μια απροσδόκητη χρονική συμμετρία όταν μετρώνται με βάση αυτό το εσωτερικό «ρολόι».
Το γυαλί και τα πλαστικά ως αποδιοργανωμένα υλικά
Το γυαλί και τα πλαστικά είναι άτακτα υλικά, αποτελούμενα από ένα μπερδεμένο δίκτυο μορίων που βρίσκονται σε συνεχή κίνηση. Παρόλο που φαίνονται στατικά στο γυμνό μάτι, τα σωματίδιά τους ολισθαίνουν, περιστρέφονται και αναδιοργανώνονται συνεχώς, αναζητώντας πιο σταθερές ενεργειακές καταστάσεις.
Αυτή η εσωτερική αναδιάρθρωση είναι υπεύθυνη για τη γήρανση του υλικού, η οποία σταδιακά μεταβάλλει τις ιδιότητές του με την πάροδο του χρόνου. Στην περίπτωση ενός παραθύρου, αυτές οι αλλαγές μπορεί να χρειαστούν δισεκατομμύρια χρόνια για να γίνουν αντιληπτές.
Εκπληκτική ανακάλυψη για τον χρόνο
Για να περιγράψουν το φαινόμενο, οι φυσικοί βασίζονται εδώ και δεκαετίες στην έννοια του «χρόνου του υλικού», ένα υποκειμενικό μέτρο της ροής του χρόνου από την οπτική του ίδιου του υλικού, το οποίο δεν ταυτίζεται απαραίτητα με τον συμβατικό χρόνο που μετρά ένα εργαστηριακό ρολόι.
Στο συγκεκριμένο πλαίσιο, ο χρόνος δεν προχωρά με σταθερή ταχύτητα, αλλά ο ρυθμός του εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία αναδιοργανώνονται τα μόρια του υλικού. Ωστόσο, μέχρι τώρα, κανείς δεν είχε καταφέρει να παρατηρήσει άμεσα αυτό το μοριακό «τικ τακ».
Η πειραματική πρόκληση
Η πειραματική πρόκληση ήταν τεράστια, παραδέχεται ο Till Böhmer. Για να καταγράψουν τις απειροελάχιστες διακυμάνσεις στην μοριακή κίνηση, η ομάδα χρησιμοποίησε υπερευαίσθητες κάμερες, ικανές να ανιχνεύουν τις μεταβολές στη σκέδαση του φωτός που προκαλείται από έναν λέιζερ στραμμένο στο δείγμα γυαλιού.
Τα μόρια μέσα στο υλικό διασπούν το φως σε πολλαπλές κατευθύνσεις, δημιουργώντας ένα χαοτικό μοτίβο φωτεινών και σκοτεινών σημείων στον αισθητήρα της κάμερας. Αναλύοντας στατιστικά αυτά τα μοτίβα με την πάροδο του χρόνου, οι επιστήμονες μπορούν να συμπεράνουν πώς μεταβάλλονται οι μοριακές διακυμάνσεις και να υπολογίσουν την ταχύτητα με την οποία «χτυπά» το εσωτερικό ρολόι του γυαλιού.
Η ανακάλυψη και η αδυναμία μετάκλησης
Αυτό δεν σημαίνει ότι η γήρανση των υλικών μπορεί να αντιστραφεί. Όπως επισημαίνει ο Böhmer, η ανακάλυψη δεν αναιρεί την αδυναμία μετάκλησης της γήρανσης, αλλά την τοποθετεί μέσα σε ένα πιο ακριβές πλαίσιο.
Η μη αναστρεψιμότητα περιέχεται μέσα στον ίδιο τον χρόνο του υλικού: Η εξέλιξή του σηματοδοτεί την εσωτερική μετατροπή του γυαλιού, ενώ άλλες διακυμάνσεις—εκείνες που συμβαίνουν σε σχέση με αυτόν τον χρόνο—δεν συντελούν άμεσα στη γήρανση. Είναι σαν να αντανακλάται η ροή του χρόνου στην ταχύτητα με την οποία κινείται ένα αυτοκίνητο, ενώ τα παιδιά που παίζουν στο πίσω κάθισμα δεν επηρεάζουν την κίνησή του.
Με άλλα λόγια, το εσωτερικό ρολόι του γυαλιού δεν μπορεί να πάει προς τα πίσω, αλλά όλα όσα συμβαίνουν μέσα στο υλικό σε σχέση με αυτό το ρολόι μπορούν, πράγματι, να είναι αναστρέψιμα. Αυτή η διάκριση επιτρέπει τη διαχωρισμό της ουσίας της γήρανσης—το «τικ τακ» του υλικού—από τα δευτερεύοντα στοιχεία—τις εσωτερικές διακυμάνσεις που δεν αλλάζουν τη γενική του κατάσταση.
Η ομάδα του Darmstadt και η νέα κατανόηση
Η ομάδα του Darmstadt, δεν περιορίστηκε σε ένα μόνο δείγμα. Επανέλαβαν τα πειράματά τους με πλαστικά υλικά και πραγματοποίησαν υπολογιστικές προσομοιώσεις σε μοντέλα υλικών. Σε όλες τις περιπτώσεις, παρατηρήθηκε συνέπεια των αποτελεσμάτων: Η αναστρεψιμότητα που παρατηρείται σε σχέση με τον χρόνο του υλικού, φαίνεται να είναι ένα γενικό χαρακτηριστικό των άτακτων (μη κρυσταλλικών) υλικών. Αυτό ανοίγει τον δρόμο για έναν νέο τρόπο κατανόησης της εσωτερικής δυναμικής αυτών των συστημάτων και αμφισβήτησης ορισμένων από τις παραδοσιακές υποθέσεις σχετικά με την μη αναστρεψιμότητα στη φυσική των υλικών.
Αναπάντητα ερωτήματα και μελλοντική έρευνα
Παρά την επιτυχία του πειράματος, τα αναπάντητα ερωτήματα υπερβαίνουν τις βεβαιότητες. Αυτό φέρνει τους επιστήμονες αντιμέτωπους με ένα βουνό από ερωτήσεις, παραδέχεται ο Thomas Blochowicz. Ένα από τα πιο σημαντικά ερωτήματα, αφορά την ίδια την προέλευση της παρατηρούμενης αναστρεψιμότητας: Σε ποιο βαθμό αντικατοπτρίζει τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής και σε ποιο βαθμό αποτελεί μια αναδυόμενη ιδιότητα των άτακτων συστημάτων;
Παραμένει επίσης άγνωστο το αν κάθε υλικό έχει το δικό του ξεχωριστό «τικ» και πώς αυτά τα εσωτερικά ρολόγια θα μπορούσαν να συγκριθούν μεταξύ διαφορετικών ουσιών.
