时间晶体这位来自UC伯克利物理学的助理教师

新闻是有分量的

时间晶体这位来自UC伯克利物理学的助理教师

2019-03-31 19:48栏目:通信

  昨天,果壳发布了年度盘点《果壳盘点:2017年度十大科学突破,哪个给你印象最深?》,在文末的投票中,得票最高、最令人期待的就是“时间晶体探索意识上传可能性”。很多读者留言说,希望果壳多介绍一下时间晶体是怎么回事。

  恰好,在2017年举行的菠萝科学奖中,时间晶体获得了物理学奖。本文是当时科学人发布的解读文章,让我们来看看它究竟是什么吧——

  2017年3月,分别发表在Nature和Physical Review Letters两份顶级期刊上的文章,让一位青年物理学家的名字在网上流行起来。姚颖,这位来自UC伯克利物理学的助理教授,向世界介绍了制造时间晶体的方法。

  时间晶体这一概念,在2012年由诺奖得主维尔切克(Frank Wilczek)首次提出。这是一种新的物质,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。我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的晶体,那么,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。维尔切克认为,“时间晶体”是一种处于基态(能量最低状态)可做周期运动的理论系统,其破坏了时间平移对称性,因此旋转时的能量比静止时还要低,能在不消耗能量的前提下以固定模式运动。

  如果用它制造时光胶囊,即使所有的生命都死亡枯寂,地老天荒,宇宙尽头,我们保存在胶囊里的回忆也依旧鲜活。

  维尔切克说他最初是在上晶体课时想到时间晶体这个概念的。如果与空间晶体类比,那么时间晶体就是在时间轴上自发地周期性变化的一类物质。其实,我们在生活中都见过“在时间轴上周期性变化的事物”,比如手表就是。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。机械表要上发条,电子表要换电池,绕太阳旋转的地球也会越转越慢。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。而在维尔切克的定义中,时间晶体是一个封闭的系统,无需外加的周期性驱动。这类特殊的系统,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。时间晶体系统会自发的出现周期性的运动,这被称为时间上的自发对称性破缺。

  所以,维尔切克设想中的时间晶体,是可以自发持续运动的系统,并且在时间上存在周期性的变化。人们已经找到了一些类似系统的实例。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,这才能说是出现了真正的时间晶体。

  不过维尔切克的设计方案后来被发现有漏洞,孤立子的运动状态并不是基态。时间晶体存在与否也被很多人质疑。

  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——时间晶体的的运动不需要外部能量输入,但它也不能在不改变自身运动状态的情况下向外界输出能量。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。

  姚颖制造的“时间晶体”并不是系统能量最低的状态, 是需要外加周期性的驱动脉冲的。但有趣的是,系统展现出来的运动周期与外加的脉冲的周期不一样,比外加的脉冲周期要长,是它的两倍,三倍或者更多倍。且在外加驱动下,系统不会,或者说很难演化到热平衡态。这说明他们的实验展现了时间平移对称性的自发破缺,而这正是时间晶体的核心概念 。姚颖把它称之为“离散时间晶体”,姚颖认为,“离散时间晶体”是一种全新的物质形态,与金属和绝缘体这些人们熟知的平衡态物质不同,“离散时间晶体”处于一种非平衡态。这仍是非常富有争议的研究和实验,但确实验证了时间晶体的理念,也为人们在未来实现维尔切克所设想的真正的时间晶体提供了新的思路。

  “时空晶体”最酷的一点,是它能在绝对零度附近保持运动。因此,在维尔切克的设想中,未来会有一天,人类可以对时空晶体进行编程,把大脑意识上传到“时空晶体”中,做成时光胶囊。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,那些美妙的情感仍旧永存。

  也许,“时间晶体”将为物理学研究打开一个全新世界,然而,让爱与回忆超越宇宙尽头,才是我们研究制造“时间晶体”最浪漫的动机。

  菠萝科学奖的其他获奖研究一览:法医秦明、杨永信和泳池里的尿:菠萝科学奖颁给了他们!