时间晶体资料分析精品资料

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1、一、时间晶体这个听起来科幻感满满的东西可能真的存在。如果时间结晶仅仅打破了自发性对称，它们则不是自然中第一个吃螃蟹的。比如，在磁铁中对称性就被打破了， 因为它可以自发 “选择”哪一头是北极，哪一头是南极。 然而这并没有打破物理法则本身的对称性，仅仅代表物理法则没有决定具体要发生的事情。普通的晶体也会自发性打破对称，虽然这些对称都存在于自然中，并没有延伸到时间维度里。 人类还从未观察过自发性打破时间平移对称的情况， 但是如果真的观察到， 时间晶体应该是最有可能发生的地方。为了证明这一可能性， 研究者们进行了一系列模拟， 使得时间平移对称性发生自发性破缺可以在不打破任何基础物理法则的情况下发生，比

2、如热力学定律。所以时间晶体是有可能在自然中存在的， 至少从数学角度上说不是不可能。所以下一步的任务就是试图造出一个时间晶体，这也是 Wilczek 团队开始筹划的事情。他们设想了一个被俘获的原子、离子或者超导量子比特的大型系统来制造时间晶体。如果他们能够成功，这将是一个震惊世界的突破。二、时间晶体究竟只是一种数学上的假设、还是真的存在呢？自打诺贝尔得主弗朗克韦尔切克（Frank Wilczek ）于 2012 年首次提出时间晶体这一概念以来，物理学家就一直在这个问题上争论不休。韦尔切克称，这些假想中的晶体可以呈现出周期性的运动状态，如在低能量状态（又称基态）下沿着环形轨道运动等。而从理论上来说

3、，处于基态的物体所具备的能量是根本不够让其运动起来的。在他提出该理念之后的几年中， 其他物理学家纷纷给出了时间晶体不可能存在的理由， 大多数物理学家似乎认为， 由于时间晶体的性质太过古怪，因此不可能存在于实际当中。虽然时间晶体无法用来产生有用的能量（因为它们一旦受到扰动，就会停止运行），而且并不违背热力学第二定律，但它们的确与物理学中一项基础的对称性相悖。不过，来自加州大学圣芭芭拉分校（UCSB）和微软 Station Q 实验室的研究人员在一篇最新发表的论文中提出，时间晶体有可能真正存在。他们主要关注的是时间晶体最令人惊奇的一点有人预测称，时间晶体能够实现时间平移对称性的自发性破缺。为了帮助

4、我们理解这句话的含义，研究人员首先解释了“自发对称性破缺”的意思。“显性对称性破缺 （explicit symmetry breaking）和自发对称性破缺（ spontaneous symmetry breaking）之间最大的区别在于， ” UCSB 的一名物理学家、该研究的共同作者多米尼克 埃尔斯（Dominic Else）说道，“如果对称性出现了显性破缺，那么自然法则中就不再含有这一对称性了；但自发对称性破缺则意味着， 自然法则仍保留着原本的对称性，但自然却选择了另一种不具备对称性的状态。 ”如果时间晶体真的能自发地打破时间平移对称性的话， 那么管控时间晶体的自然法则就不会随着时间的流

5、逝而改变， 但由于时间晶体的基态运动状态， 时间晶体本身是会随着时间而发生变化的， 也就自发地打破了这种对称性。虽然人们此前从未观察到过时间上的平移对称性的自发破缺， 但除此之外，其它各类自发对称性破缺都曾被观察到过。 磁铁就是一个常见的例子。自然法则无法强制决定磁铁的哪一头是北极、 哪一头是南极。但任何磁铁材料都自发地打破了这种对称性， 选定其中一头作为北极。另一个例子则是普通的晶体。 虽然无论是在旋转还是平移的空间中，自然法则都不会发生改变， 但晶体会自发地打破这些空间对称性，因为如果改变了观察角度、 或者在空间中的位置发生了些许变化，晶体看上去都会有所不同。在这项最新研究中， 物理学家专

6、门规定了时间平移对称性发生自发性破缺的条件， 然后通过模拟， 预测出这一对称性破缺将会发生在一类名为“弗洛凯多体局部驱动系统” （ Floquet-many-body-localized driven systems）的量子系统中。科学家解释，这些系统的关键特征是，它们永远都不会达到热平衡状态，因此温度永远都不会升高。对时间平移对称性破缺的最新定义与其它对称性破缺十分相似。基本上来说，随着一个系统（比如晶体）的体积增大，从对称性破缺状态回归对称状态的时间也会相应延长。 而无穷大系统则永远也无法到达对称状态，因此，整个系统的对称性都处于破缺状态。“我们的工作有两大意义。 从一方面来看， 它说明了

7、时间的平移对称性也是可以出现自发性破缺的。 ”微软 Station Q 实验室的一名研究人员、共同作者贝拉 鲍尔（Bela Bauer）表示，“从另一方面来看，它让我们进一步了解到，非均衡系统中可以出现很多有趣的物质状态，而这些状态在均衡系统中是不存在的。”据物理学家表示， 我们应该可以通过实验观察到时间平移对称性破缺。这需要利用一套由受限原子、受限离子、或超导量子比特构成的大型系统，打造出一块时间晶体，然后观察随着时间的流逝、这些系统会发生怎样的变化。 科学家预测称， 这些系统将会呈现出周期性的振荡运动状态， 这正是时间晶体的标志性特征之一， 并且印证了时间平移对称性破缺的存在。“我们正在和

8、实验研究组共同努力， 一起探索在低温原子气体系统中实现弗洛凯时间晶体的可能性。 ”此次研究的共同作者舍坦纳亚克（ Chetan Nayak）说道。三、“生生世世， 不离不弃，直到地老天荒，直到宇宙尽头 ”当我们面对美妙的爱情时，总会发出上述誓言。尽管誓言铿锵，可总会留下一个否定和阴暗的结尾，比如宇宙的尽头和地老天荒什么的。在我们的潜意识中， 再美好的感情，再美妙的关系，总有结束的那天，因为没有人能够敌过死亡。就算是宇宙，也可能会有热寂的那一天。如果我们的宇宙不断膨胀， 终究有一天，它将会冷却到绝对零度附近，我们再也无法获取维持生存所需的基本能量。 因此，一旦我们发誓维系某段感情到地老天荒时，潜

9、意识中已经把这作为最极端的誓言了。现在，我要介绍一种新的物质，利用它制造出的时光胶囊，可以使我们即使到了宇宙的尽头， 即使所有的生命， 包括我们自己都死亡了、枯寂了的时候，仍旧能够保存我们那些最珍贵的回忆。拥有这样的时光胶囊，即使地老天荒，我们留下的回忆仍旧鲜活。什么是时间晶体？要理解这种全新的物质， 让我们从最常见的晶体材料说起。 在我们的生活中，有很多天然具有规则形状的物质， 比如说六角形的雪花，晶莹剔透的水晶， 璀璨夺目的钻石。 这些固体物质就是我们常说的晶体。我们都知道，随着温度的不同，水具有气态、液态、固态三种不同的形态。之所以有这么大的区别，是因为随着温度的降低，水分子的运动越来越

10、慢， 在冰点之下就自发地凝结起来了， 形成了周期性的有序结构。水分子按照一定的空间周期等间距地排列起来， 所形成的冰自然无法随意形变也无法流动。爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有一个维度就是时间。 既然我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的晶体，是不是也存在着在时间上结晶的晶体呢？这应该是一个很自然的设问。不过直到诺贝尔物理奖获得者维尔切克 （Wilczek）之前，还没有人提出这个设问并给出答案。维尔切克接受记者采访时说， 他最初是在上晶体这个课程时想到了时间晶体这个概念的。 如果与空间晶体类比， 那么时间晶体就可以定义为在时间轴上 自发 地周期性变化的一类物质。 在时间

11、轴上周期性变化的事物我们也见过很多， 比如说我们戴的手表。 但所有这些事物的运动都不是自发的， 需要外界输入能量才能维持其运动。 机械表我们隔几天要上发条， 电子表过上一年半载我们要换电池， 绕太阳旋转的地球越转越慢。 因为对这些系统来说， 运动的能量总是比静止时要高。所以总会发生能量耗散，最终系统停止在能量最低的状态。而维尔切克发现，对一类特殊的系统，旋转时的能量比静止时还要低，那么这种系统最终总会耗散到不断旋转的状态。 这被称为时间上的自发对称性破缺。如何实现时间晶体？纳米金属环中的持续电流。有关持续运动的系统， 人们已经找到了一些实例。 比如对于一个很小的超导体金属环来说， 如果我们给它

12、加上磁场， 那么环中就会出现持续不断的电流。对这个系统，电子的流动时是能量最低的状态，它将永远地流动下去。 这个例子似乎并不让人吃惊。 可如果金属环的尺度非常微小，我们将不得不用量子力学来分析它。我们发现，即使金属环有电阻， 在低温下给金属环通上磁场， 里面也会出现从不衰减的电流。从某种程度而言， 这已经很接近时间晶体了。但是时间晶体的物质密度在时间上存在周期性变化， 而有持续电流的金属环中并没有出现电子密度随时间的周期性变化。为了实现真正的时间晶体， 维尔切克设计了一种目前还不存在的带电材料，它可以由非线性的薛定谔方程来描述， 其基态解是一种孤立子。在磁场下， 孤立子能量最低的状态将不再是静

13、止的，而是以一定的角速度旋转的状态。与持续电流不同，孤立子旋转起来时，在圆环上会出现物质密度的周期性变化，也就是说出现了真正的时间晶体。时光胶囊，让美好的回忆永存对于时间晶体， 我们还有另外一种称呼： “永远运动的系统” 。这并不意味着它能像永动机那样无中生有地不断提供能量。时间晶体的的运动是不需要外部能量输入的， 同时它也不能向外输出能量而不改变自身运动状态。如果我们把空间晶体和时间晶体的概念综合起来，那么实际上就存在一种特殊的物质，可以同时在四维时空中结晶，形成所谓的时间 -空间晶体。和“海洋之心”一样，时间晶体穿越时间铭刻爱情。时空晶体最酷的一点就是它能在绝对零度附近保持运动。 因此维尔

14、切克设想未来有一天， 随着技术的高度发展， 我们可以对时空晶体进行编程，设计出复杂的周期运动回路，代表不同的比特，以及比特间的运算，然后把我们的人脑意识上传到这个时空晶体中。 这种携带了人脑意识的时间晶体可以称之为时光胶囊。 与通常意义上的计算机不同，它并没有输出，只能周而复始地重复我们预先编制好的程序。我们可以把自己一生中最美好最难忘的回忆和感受存在其中， 不断重演那些最美妙的瞬间。拥有了这样的时光胶囊，即使地老天荒，即使宇宙热寂，我们那些美妙的情感仍旧永存。 把爱保留到宇宙尽头之后，也许会是我们研究制造时间晶体最浪漫的动机。四、时间晶体能帮助人类达到永生， 那么时间晶体到底是什么呢 ? 众

15、所周知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。而时间晶体则是一种四维晶体， 与常规晶体相比，时间晶体在时空中拥有一种周期性结构。 科学家们把这种周期性结构称为自发破坏时间平移的对称性。时间晶体真的存在？人类有望达到永生简而言之就是时间晶体可以随着时间的改变， 但是时间晶体会持续回到它原本时的相同形态， 就如同一个钟的移动的指针周期性的回到它的原始位置。不过与其他物体周期性过程不同的是时间晶体会是最低限度的能量的一种状态， 它的运动不消耗任何的能量， 这一点和空间晶体一样。基于时间晶体能够周期性的回归到自己初始状态这一点， 而且是无损耗的。因此科学家们认为时间晶体

16、能够帮助人类实现永生。 虽然时间晶体能够随着时间改变， 但它毕竟会回到自己的初始状态。 科学家们称人们可以把它当作时间的一种回溯。 如果把时间晶体比作人的话，就是一个人穿越时间回到了过去自己小的时候。当然利用佛教的说法， 你也可以把它当作一个轮回， 不过不同的是这种轮回是处于一种可控的状态。 不过要想达到这种可控的状态就需要科学家们彻底掌握时间晶体的奥秘，目前来说还无法实现。时间晶体最初的提出是为了应对复杂的物理难题， 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， 能够更加得心印手研究物理学中所谓的“多体问题” 。这对于推动物理学的进步有着重要的科学意义。而随着对时间晶体的研究，科学家们发现这种时间晶体真的存在，而且很有可能实现人类的永生。科学家们猜测通过时间晶体，人类实现永生的途径有两个： 一是通过像时间晶体一样不断回到自己的初始状态，如同一个人在不断的轮回一样。二是人类永远维持在自己年轻的时候，因为时间晶体的运动不消耗任何的能量，而人类如果实现这种状态，那么必然可以实现永生。