Discrete time liquids

يُعتقد عادةً أن الزمن عبارة عن نهر مستقر، يتدفق للأمام بمعدل ثابت، غير مبالٍ بالأحداث التي تقع على ضفافه. وفي عالم الفيزياء، يُعرف هذا التدفق المستقر باسم "تماثل انتقال الزمن": أي أن قوانين الطبيعة لا تتغير من لحظة إلى أخرى. لعقود من الزمن، اعتقد العلماء أنه إذا تُرك نظام ما في حالة من التوازن الحراري — حيث تتوزع الحرارة والطاقة بشكل متساوٍ — فإنه سيستقر في النهاية في نمط استاتيكي (ساكن) وغير متغير. وكان يُعتقد أنه من المستحيل لنظام كهذا أن يبدأ تلقائياً في النبض أو التذبذب من تلقاء نفسه، كما لو كان لديه ساعته الداخلية الخاصة. كان هذا الاعتقاد قوياً لدرجة أنه تم تقنينه في "نظريات عدم الوجود"، وهي قواعد رياضية بدت وكأنها تمنع أي شكل من أشكال النظام الزمني في نظام هادئ ومتوازن. ومع ذلك، فإن اكتشاف "بلورات الزمن المنفصلة" تحدى هذه الرؤية. فهذه البلورات هي حالات خاصة من المادة، والتي عندما تُدفع بقوة خارجية منتظمة ومتكررة، تستجيب بالتحرك بوتيرة إيقاعية أبطأ؛ فهي تكسر تماثل الدفع، وتستقر في إيقاع يمثل جزءاً من نبضة الدفع، مما يخلق نوعاً من البنية الزمنية التي تستمر دون أن تتلاشى. ولكن ظل هناك سؤال عالق: هل يمكن لهذا النظام الإيقاعي أن يوجد دون وجود بندول خارجي مثالي؟ هل يمكن للنظام أن ينبثق من الضجيج الخالص؟

لقد أجاب فريق من الباحثين في معهد ماكس بلانك لفيزياء الأنظمة المعقدة والجامعة الصينية العادية للمهارات على هذا السؤال من خلال تحديد حالة جديدة من المادة يسمونها "سائل الزمن المنفصل". ففي سلسلة من المحاكاة الحاسوبية التفصيلية، قاموا بنمذجة شبكة ثنائية الأبعاد من اللفات المغناطيسية الصغيرة، الشبيهة بالذرات في المغناطيس، مرتبطة بتجويف — وهو صندوق يحبس الضوء أو الموجات الكهرومغناطيسية. وخلافاً للتجارب السابقة التي استخدمت ليزراً خارجياً مضبوطاً بدقة، اعتمد هذا الإعداد تماماً على التقلبات الحرارية الطبيعية للتجويف نفسه. كان التجويف على اتصال بحمام حراري، مما يعني أن اهتزازاته الداخلية كانت مدفوعة بالضجيج الحراري العشوائي بدلاً من ساعة دقيقة. ووجد الباحثون أنه عندما تم ضبط درجة حرارة هذا الحمام الحراري عند مستوى متوسط محدد، لم تكتفِ اللفات بالاهتزاز الفوضوي فحداً، بل انضبطت تلقائياً في إيقاع يعادل بالضبط نصف تردد التذبذب الطبيعي للتجويف. وهذا الاستجابة مضاعفة الفترة هي السمة المميزة لبلورة الزمن، ولكن مع اختلاف جوهري: الإيقاع لم يكن مثالياً.

في بلورة الزمن القياسية، يكون الإيقاع صلباً وغير متغير، مثل بندول لا يخطئ نبضته أبداً. أما في حالة "سائل الزمن" الجديدة هذه، فإن الإيقاع قوي ولكنه هش بطريقة محددة. فبينما حافظت اللفات على حركتها مضاعفة الفترة لفترة طويلة، كانت المسارات الفردية للنظام تنتقل أحياناً وبشكل عشوائي بين مرحلتين متضادتين من الإيقاع. تخيل ساعة تحافظ على الوقت المثالي لساعات، ولكن بين الحين والآخر، تقفز عقاربها فجأة للأمام أو للخلف دورة كاملة قبل أن تستقر مجدداً في النبضة الصحيحة. حدد الباحثون هذه القفزات المفاجئة كـ "سوليتونات زمنية"، وهي عيوب طوبولوجية في تدفق الزمن. تعمل هذه العيوب مثل الأعطال في النظام الزمني؛ فهي تحافظ على الإيقاع المحلي ولكنها تدمر التزامن بعيد المدى عبر النظام بأكم له. ولأن هذه الأعطال يمكن أن تحدث في أي لحظة عشوائية، فإذا كنت تراقب مجموعة كبيرة من هذه الأنظمة جميعها في وقت واحد، فإن القفزات العشوائية ستلغي بعضها البعض، وسيبدو السلوك المتوسط كتدفق مستمر وسلس للزمن. وهذا يؤدي فعلياً إلى استعادة تماثل انتقال الزمن الذي كُسر في المسارات الفردية، مما يشير إلى أن هذا الشكل الجديد من النظام يمكن أن يوجد حتى في التوازن الحراري، وهو المجال الذي كان يُعتقد سابقاً أن مثل هذا النظام مستحيل فيه.

يكشف البحث أن ظهور هذا النظام أمر غير بديهي. فعادةً ما يُنظر إلى الحرارة والضجيج كأعداء للنظام، حيث يعملان على طمس الأنماط وتدمير البنية. ومع ذلك، وجد الباحثون هنا أن النظام الزمني لا يظهر إلا عندما يكون الضجيج الحراري قوياً بما يكفي ليكون مؤثراً، ولكن ليس قوياً لدرجة تجتاح النظام بالكامل. فإذا كانت درجة الحرارة منخفضة جداً، كانت التقلبات الحرارية ضعيفة جداً لتحفيز الاستجابة الإيقاعية، واكتفت اللفات بالدوران الحر. وإذا كانت درجة الحرارة مرتفعة جداً، أصبح الضجيج فوضوياً للغاية، وأصبح النظام غير منظم. وفقط في نافذة ضيقة من درجات الحرارة المتوسطة، استطاعت اللفات تسخير الضجيج لخلق إيقاع مستقر ومضاعف الفترة. وقد لوحظت هذه الظاهرة في عمليات محاكاة حيث تم تغيير زمن تماسك التجويف — وهو المدة التي تظل فيها تذبذباته قابلة للتنبؤ. عندما كان زمن التماسك طويلاً، تصرف النظام مثل بلورة زمن كلاسيكية ذات إيقاع ثابت. ومع قصر زمن التماسك، انتقل النظام إلى مرحلة "سائل الزمن"، حيث يستمر الإيقاع ولكنه يتعرض باستمرار لانقطاعات بسبب السوليتونات الزمنية.

أكد الباحثون أن هذا السلوك لم يكن نتاجاً لضبطهم الخاص للنظام، بل هو خاصية أساسية له. فقد طوروا نموذجاً رياضياً بسيطاً يعامل النظام كسلسلة من المفاتيح العشوائية، حيث يتم تحديد احتمال حدوث "عطل" من خلال كثافة السوليتونات الزمنية. نجح هذا النموذج الأدنى في إعادة إنتاج التوزيع الكامل لارتباطات الزمن الملحوظة في عمليات المحاكاة المعقدة، مما يشير إلى أن سلوك النظام متعدد الأجسام يمكن فهمه من خلال الإحصاء البسيط لهذه العيوب الزمنية. وتشير النتائج إلى أن "سائل الزمن" هو طور متميز من المادة، يختلف عن كل من الغاز غير المنظم وبلورة الزمن الصلبة. إنه يمثل حالة يتم فيها الحفاظ على النظام الزمني محلياً، بينما يكون سائلاً على المستوى العالمي، مما يسمح للنظام بالوجود في حالة توازن مع الاستمرار في إظهار ديناميكيات إيقاعية معقدة.

يفتح هذا العمل آفاقاً جديدة لفهم كيف يمكن للنظام أن ينبثق من الفوضى. وهو يشير إلى أن مشهد حالات المادة الممكنة أغنى مما كان يُعتقد سابقاً، مع وجود أطوار يمكن أن توجد في التوازن الحراري وتظهر أيضاً سمات سلوك بلورية الزمن. ويقترح الباحثون أنه يمكن ملاحظة هذه الظاهرة في تجارب العالم الحقيقي، مثل الذرات فائقة البرودة المحتجزة في تجاويف بصرية، أو في أنظمة المادة المكثفة التي تتضمن فونونات سطحية قطبية، وهي موجات من الشحنة الكهربائية والاهتزاز على سطح المادة. في هذه الإعدادات، يمكن للتقلبات الطبيعية للبيئة أن تعمل كمحرك ضجيجي، مما قد يسمح للعلماء بإنشاء ودراسة سوائل الزمن هذه في المختبر. إن هذا الاكتشاف يتحدى الرؤية السائدة منذ فترة طويلة بأن التوازن الحراري يجب أن يكون حالة من السكون الاستاتيكي، ليظهر بدلاً من ذلك أنه يمكن أن يحتضن شكلاً سائلاً دقيقاً من الزمن يتدفق، ويتعثر، ويتعافى، مدفوعاً بالضجيج نفسه الذي كان يُعتقد يوماً أنه يدمره.