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时间晶体

2017-1-19 21:49| 发布者: 炼数成金_小数| 查看: 17716| 评论: 0|来自: 量子科学

摘要: 常规晶体是一个三维物体,它们的内部原子按照有规则的顺序重复排列而构成。时间晶体是一种四维晶体,在时空中拥有一种周期性结构。 一个时间晶体能自发破坏时间平移的对称性。它可以随着时间改变,但是会持续回到它 ...

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2012年年初,时间晶体的概念由诺贝尔奖获得者,麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)提出。

常规晶体是一个三维物体,它们的内部原子按照有规则的顺序重复排列而构成。时间晶体是一种四维晶体,在时空中拥有一种周期性结构。 一个时间晶体能自发破坏时间平移的对称性。它可以随着时间改变,但是会持续回到它开始时的相同形态,就如一个钟的移动的指针周期性的回到它的原始位置。 与普通的钟或者其他周期性的过程不同的是,时间晶体和空间晶体一样会是较低限度的能量的一种状态。可以将它看作是一只可以永远保持走时较精确无误的钟,即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。

构建一个时空晶体,存在着实际和重要的科学理由:有了这种4维晶体,科学家们将拥有一种全新的,更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用行为进行研究,或者是研究物理学中所谓的“多体问题”。这种时空晶体同样可以被用来对量子世界进行研究,如量子纠缠现象,在这种状态中,当对其中一个粒子进行操作时,另外一个粒子也会相应地发生变化,即便这两个粒子之间隔开着巨大的距离。

根据物理学家的观点,一个时间晶体应该是一种自然的物体,它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样,其中的碎片一直在循环往复地旋转形成各种美丽的图案;或者像时钟一样,其时针每12小时完成360度旋转。不过,与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是,时间晶体是在自己的永动机制的支持下实现永远运动,而这种永动机制必须要符合物理学定律。

时间晶体遵循一种被物理学家称为“时间对称破缺”的理论。这种理论就是:无论在空间上你在哪里,还是时间上你在哪里,物理学原理都同样适用。你可以实施一项物理学实验,可以进行某些测试,然后带上这些实验设备转移到任何方向一个任意短距离内的地方,或者在短时间内等待任何时长后再次进行某些实验,在所有这些实验中你应该得到同样的结果。在这种情况下,时间和空间被称为完美对称。

时间晶体的运动应该不消耗任何能量,相反,它应该处于一种稳定的最小能量状态,就像钻石和其他传统的晶体一样。即使这样,它仍然是处于一种永动状态。

时间晶体并不违背能量守恒定律。通常情况下,所谓的永动机肯定不会长久,因为它们并不是处于一种基态,它们的能量会随着运动而消耗,最终能量会消耗殆尽。在时间晶体中,能量是守恒的,因为没有任何能量被移走。在这些物体中,但是物体中原子的运动速率并非为零。

“时间晶体”中不断运行的机制通常会违反热力学定律,超导体中的电子被允许进行连续而不间断地运行。弗兰克·维尔泽克最初建议超导环可以看作是一种“时间晶体”,如果电子流可以被分离而不是以一个整体、持续的状态出现,也可以确保出现周期性的重复。但是弗兰克·维尔切克并没有指出如何在现实世界中打造这样的“时间晶体”超导环。

2012年7月,来自美国加州大学伯克利分校的李统藏博士以及他来自密歇根大学和清华大学的同事们提出了一种新的方案,有可能实现时间晶体的设想。

首先需要一个离子阱,这是一种利用电场来将某一带电粒子固定在某一位置上的装置。这样做将可以让这些离子形成一个环状的晶体,这是因为当离子在极低温度条件下被捕获时,它们会相互排斥。随后科学家施加一个微弱的静磁场,它将驱动电子自旋。

量子力学指出,离子的自旋能量必须大于0,即便是在这个电子环已经被冷冻至较低能级的情况下也是如此。在这种状态下,已经不需要电场和磁场来帮助维持这一晶体的形状以及组成它的各个离子的自旋。这样做的结果就是获得一个时间晶体,或者更准确的说是一个时空晶体,因为这个离子环不但在时间上,在空间上也是不断重复着自身。

研究人员从理论上推理认为,这种时间晶体可以被用作计算机,它可以用不同的自旋状态当做传统计算法中的0和1。利用该系统方案,这一设想将是可能的。

该方案是基于电场离子阱和粒子之间的库伦斥力构建的。离子阱的电场将带电粒子固定住,而库伦斥力让它们自发地形成一个空间环状晶体。在一个微弱的静态磁场作用下,这一环状离子晶体将开始永无止境的转动。由于这一时空晶体已经位于较低量子能态,其时间序列,从理论上说将会永远持续,即便是当宇宙达到熵的极大值,也就是达到“热寂”状态时,情况也是一样。

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