Saintis Cipta Kristal Masa Yang Didakwa Melanggar Hukum Keabadian Tenaga

Oleh: Admin Fiziklah!

Baru-baru ini saintis berjaya membuat satu penemuan baru yang dinamakan sebagai kristal masa (time crystal). Apakah itu kristal masa? Kristal masa ni bukan lah seperti apa yang anda semua bayangkan apabila anda dengar namanya buat kali pertama. Mesti anda semua membayangkan yang masa dibekukan dan disimpan di dalam kristal itu kan? Jangan nak tipu! Penulis pun bayangkan macam itu juga dulu. Sebelum kita pergi lebih dalam mengenai kristal masa ini, mari kita fahami dulu apakah itu kristal.

Kristal di dalam istilah sains bahan membawa erti sesuatu bahan yang mana struktur molekulnya berulang memenuhi ruang. Sebagai contoh kita lihat struktur kuartza di bawah ini, anda boleh lihat perulangan corak di dalam strukturnya, dan ulangan ini memenuhi ruang 3 dimensi (walaupun ia digambarkan dalam ruang 2 dimensi sahaja).

Untuk kristal masa pula, strukturnya berubah memenuhi masa. “Tapi kan, semua benda berubah mengikut masa,kan? Contoh macam air panas dibiar lama-lama jadi sejuk.” Ya! Semua benda berubah mengikut masa tapi semuanya berubah untuk mencapai keseimbangan. Air panas menjadi sejuk sebab nak menjadi seimbang dengan suhu sekeliling. Dalam kes kristal masa ini, ianya diteorikan bahawa bahan ini akan sentiasa berubah walaupun sudah berada di dalam keadaan seimbang dan berada pada tahap tenaga yang paling rendah. Teori ini dikatakan melanggar hukum pengabadian tenaga.

Bahan ini akan berubah dari keadaan asal ke keadaan yang lain dan kembali ke keadaan asal balik tanpa memerlukan tenaga (contoh: keadaan 1 -> keadaan 2 -> keadaan 1) dan ini akan berulang sepanjang masa. Disebabkan bahan ini diteorikan sentiasa berubah, ianya dikatakan mempunyai gerakan kekal (perpetual motion).

Idea ini diasaskan oleh seorang ahli fizik dan juga pemenang anugerah Nobel bernama Frank Anthony Wilczek pada tahun 2012.  Walau bagaimanapun pada tahun 2015, dua orang ahli fizik Masaki Oshikawa dan Haruki Watanabe membuktikan bahawa apa yang diteorikan oleh Frank Wilczek itu adalah mustahil jika sesuatu sistem itu berada di dalam keadaan seimbang. Logik-lah kan? Kalau sesuatu itu dah stabil, takkan lah tiba-tiba dia nak berada dalam keadaan kucar-kacir tanpa ada pengaruh luar? Contohnya, kalau sesuatu hubungan dengan pasangan dah stabil, takkan lah tiba-tiba kalian nak berubah tanpa sebab, kan? (Itu contoh je, okay!)

Adakah pembuktian Masaki Oshikawa dan Haruki Watanabe itu menghentikan teori kristal masa itu? Semestinya tidak! Para saintis akan sentiasa mencuba pelbagai alternatif untuk merealisasikan sesuatu teori. Pada tahun 2016, seorang saintis bernama Norman Yao dan rakan-rakannya telah mencadangkan kaedah alternatif untuk menghasilkan kristal masa di dalam makmal.

Seperti yang diteorikan oleh Wilczek, bahan ini akan sentiasa berubah walaupun sudah berada di dalam keadaan seimbang atau lebih tepat keseimbanga terma (thermal equilibrium). Keseimbangan terma membawa maksud bahawa sesuatu sistem itu tidak menerima tenaga dan tidak menghasilkan tenaga. Ini adalah sesuatu yang mustahil! Macam mana sesuatu objek itu nak berubah/bergerak kalau tiada tenaga untuk mengubah/menggerakkannya?

Jadi, Norman Yao mencadangkan supaya tenaga dari luar dibekalkan untuk memaksa atom-atom di dalam bahan tersebut berubah. Macam mana atom-atom tu berubah? Bayangkan atom-atom itu beratur, dan setiap atom ini ada putaran tersendiri, putaran ni kira macam keadaan atom itu lah, ada putaran atas dan putaran bawah. Bila atom-atom ni disusun sebelah menyebelah, mereka akan cuba menyusun putaran mereka bergantung kepada atom bersebelahan, ada yang mengikut rakannya (sebelahnya putaran atas, dia pun ikut putaran atas atau sebaliknya), ada yang menentang rakannya (sebelahnya putaran atas, dia putaran bawah, atau sebaliknya) atau dalam kata mudah atom-atom ni akan berputar secara rawak.

Kemudian tenaga akan dibekalkan kepada atom-atom itu untuk memaksa atom-atom tersebut mempunyai putaran yang sama. Tenaga tersebut adalah daripada pancaran laser. Seperti yang diketahui, laser adalah gelombang elektromagnet maka ia akan mempunyai kitaran dan ayunan. Ayunan inilah yang menyebabkan putaran atom tersebut menjadi sama dan mula berayun.

Apabila pancaran laser itu dihentikan, Norman Yao mendakwa bahawa ayunan putaran atom tersebut akan terus kekal mengikut ayunan laser yang dipancarkan awal tadi. Bukan itu sahaja, jika pancaran laser dengan ayunan baru dibekalkan kepada atom-atom yang sudah berayun itu tadi, ianya tidak akan mengikut ayunan laser yang baru itu, sebaliknya akan kekal dengan ayunan lama.

Berdasarkan apa yang dicadangkan oleh Norman Yao ini, 2 kumpulan saintis dari Universiti Maryland dan Universiti Harvard telah berjaya mengasilkan kristal masa ini di dalam makmal. Kumpulan dari Universiti Maryland telah menggunakan 10 ion ytterbium dan membekalkan tenaga dengan laser manakala kumpulan dari Universiti Havard menggunakan atom-atom nitrogen di dalam berlian dan gelombang mikro sebagai pencetus ayunan. Hasil eksperimen dari kedua-dua kumpulan tersebut selari dengan apa yang didakwa oleh Norman Yao sekali gus membuktikan kristal masa ini adalah sesuatu yang tidak mustahil untuk dihasilkan walaupun tidak lagi seperti apa yang dicadangkan oleh Frank Wilczek. Analogi yang mudah untuk kristal masa ini adalah sebuah agar-agar yang kekal bergoyang apabila kita menolaknya.

Jadi, apa kegunaan kristal masa ni kan? Bidang utama yang boleh memanfaatkan penemuan kristal masa ini adalah komputer kuantum. Komputer klasik menggunakan bits 0 dan 1 untuk menyimpan dan menyampaikan maklumat, manakala komputer kuantum menggunakan keadaan putaran atom (putaran atas/putaran bawah) yang juga dipanggil quantum bits ataupun qubit.

Harapnya, dapatlah disampaikan apakah itu kristal masa dengan mudah, mungkin topik ini agak sukar untuk difahami tetapi penulis telah bekalkan beberapa sumber rujukan untuk anda semua.

Berikut adalah sumber rujukan untuk artikel ini.

Time Crystal | Spacetime Journal Club
https://www.youtube.com/watch?v=5l1KxgHH2Ek

Time Crystals Are Real, But That Doesn’t Mean Time Is Crystallized
https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/03/16/time-crystals-are-real-but-that-doesnt-mean-time-is-crystallized/#1f68a63f3038

Absence of Quantum Time Crystals (Haruki Watanabe, Masaki Oshikawa)
https://arxiv.org/abs/1410.2143

Discrete time crystals: rigidity, criticality, and realizations (Yao et al)
https://arxiv.org/abs/1608.02589