世界上首个“时间晶体”成功诞生

Via/译:宫野蕾拉

“晶体”是指原子或分子在空间上按一定的周期性结构重复排列而形成的物质。而在时间方向上也拥有这种周期性结构的就是“时间晶体”,目前世界上首个“时间晶体”已经成功诞生。

“时间晶体”的概念诞生于2012年,由麻省理工学院的物理学家Frank Wilczek提出。时间晶体指的是在三次元空间和时间方向上都按照一定规律排列的四次元晶体结构。Wilczek提出这个概念的时候,并没有提及时间晶体的具体生成方法。不过,这之后,美国劳伦斯伯克利国家实验室提出生成方法。

(“四次元的时空晶体,可能成为现实”伯克利实验室提出生成方法| SJN News 可再生能源最新消息)

三次元空间上的晶化,指的是某种物质的分子系统在除去热能的低能量状态下所发生的连续的空间对称性破缺。原来物质中全方位对称的结构,因被放置于低温环境中而被破坏,形成离散性对称(只在某个特定方向上对称)的现象就是晶化。时空晶体,就是这种离散性对称扩展至时间方向上的构造,有规律的晶体结构不仅在空间上,在时间上也呈现出周期性。

例如,在零摩擦状态下持续不停地做圆周运动的粒子就可以看作正在时间方向上晶化。伯克利实验室的团队所提出的时空晶体,就是在极低温度下利用电场离子阱和粒子间的库伦斥力,使被俘获的离子不停地做旋转运动,使其结构在时间上周期性再现。

由于这种时空晶体的量子能量处于最低状态,所以其时间秩序能永久保持下去,理论上来说,即使宇宙的其他部分因熵增而达到热平衡状态(热死亡),时空晶体也能一直保持下去。

但是这之后,加利福尼亚大学的研究生渡边悠树和东京大学的押川正毅教授发表了论文,从数学上证明时间晶体是不可能实现的。他们认为时间晶体是实际上不存在的东西。

(证明不可能实现“时间晶体” | Science 财经新闻)

“这次研究,对统计学上的物质稳定状态(平衡状态)下的宏观物理量的时间相关函数进行了评估,运用了严密的不等式,从而从数学上证明了粒子在时间方向上不存在振动。这意味着,只要遵从统计力学,‘时间晶体’就不可能真的存在。”

而在这种背景下,马里兰大学的Chris Monroe教授所率领的研究团队于2016年10月4日成功制成了世界上首个时间晶体。制作时间晶体的基本工程非常简单——将诸如离子群的量子系统制作成环状,将其冷却至能量最低的状态。这样一来,在物理法则上量子环就处于完全静止的状态了。

另外,在时间晶体的应用上,研究团队举出了“用于量子信息任务,来实现强大的量子记忆”等多种用途。但是,关于时间晶体,还有许多我们不能理解的特质,若不对此进行谨慎的探讨的话,就不能说明时间晶体真的存在吧?

来源:www.nhzy.org

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