时间晶体到底是什么?为什么科学家对之十分着迷?

浏览:2746   发布时间: 08月19日

大家在日常生活中,经常接触到物质的三种基本形态,即固态、液态和气态,这三种物质构成了充斥着地球方方面面物体的基本特征。不过,随着科学技术的发展,科学家们逐渐意识到,宇宙中的有些物质,根本不能用固液气这三种基本形态来揭示,于是创造出了若干不常见但确实存在着、神秘而且奇特的物质状态名称,比如等离子态、超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态、中子简并态等等。

在过去的数年里,世界各地的物理学家,一直在努力构建物质的另外一种状态,即“时间晶体”。这种特殊的“晶体”,有别于像钻石、金刚石那样,在空间上以某种形式进行重复性的排列,而是在时间这个维度上,以某种特殊的形式重复排列,也就是说时间晶体可以随着时间而发生改变,但是会持续运动回到它最开始的相同形态,而在此过程中并不会吸收和释放能量。

时间晶体的本质

“时间晶体”这个名字,其实是科学家们对该种物质形态的形象称谓,我们看上去这个名字,觉得天花乱坠,感觉利用它能够实现时间的穿越,或者是通过这种晶体可以记录历史上所发生事件的信息,而实际上,“时间晶体”与这些都没有关系,也实现不了这些功能。

说白了,时间晶体就是一种物质的新状态,与固、液、气等是并列的,这种新状态,用物理学的相关定义表述,就是处于“非平衡态”的物质。

我们知道,日常生活中的一些晶体,包括金属导体在内,它们不但是在空间上呈现重复排列的特征,而且当晶体中的原子处于最低能态时,是不会发生任何物质运动的,否则就会违背物理学中的一个重要定律-“时间平移对称性”原则。所以,日常生活中我们遇到的晶体,以及其它绝大多数物质,都属于“平衡态物质”。

而时间晶体则不同,它的组成原子,是在时间维度上进行着重复排列。如果我们假定其中的原子从一种状态开始,那么用激光去轰击这个晶体,那么其中的原子可能会翻转到另外一种状态,接着再翻转过来,然后再翻转成另外状态,如此循环往复,在时间的维度上呈现周期性的变化规律,但是,在这样的过程中,晶体中的原子,并不会从激光中吸收任何的能量。

即使我们什么也不去做,那么这种新形态物质,也会处于不断的运动状态中,其形态不断地发生翻转,过一段时间又回到原来的状态,但是这个无限期的过程中也不会释放和吸收任何能量。

因此,时间晶体就是一种“非平衡态”的物质,可且在能量最低的状态下仍能发生运动的物质,因此也有科学家称其为“量子时间晶体”。

时间晶体的发现过程

宇宙中的绝大多数物质,都遵循着“时间平移对称性”,用通俗的话来讲,即一个物体,在没有外界任何因素的干扰下,在不同的时间对其进行物理性质测量,所得到的监测结果都是一样的,比如金属球的质量、一个电阻的电阻大小等等。

长期以来,人们普遍认为,物质的这种“时间平移对称性”是不能被打破的,这毕竟是能量守恒定律的基石。到了2012年,美国理论物理学家弗朗克·韦尔切克(因在夸克粒子理论方面所取得的伟大成就,被评为2044年诺贝尔物理学奖)正式提出“时间晶体”的概念,认为自然界中存在着打破“时间平移对称性”的物质。

2016年,美国马里兰大学和哈佛大学的两个研究团队,发文称制造出了符合“时间晶体”概念的物质。两个研究团队应用的方法不同,其中马里兰大学的研究团队,是利用激光交替晃镱原子核,使其进入稳定且能够重复的自旋翻转模式。而哈佛大学的研究团队,是利用在钻石中密集充入氮气的方法,来制造成功“时间晶体”。

2017年,我国的科学家,在自然界中,首次发现了“时间晶体”的客观存在。从此,时间晶体这种物质的存在形式,正式被列为自然状态下存在的物质基本形态之一,

就在今年的7月份,谷歌公司与80多位物理学家联合发文,宣称利用“悬铃木”量子计算机,构建了一个处于非平衡态、能够长期存在,且打破离散时间平移性的离散时间晶体,进一步将时间晶体从证实存在,向着构建和应用的方向推进。

时间晶体是“永动机”吗?

通过刚才的分析,我们可以看出,一般的晶体是一群分子或者原子,按照一定的规律在三维空间上呈现出周期性的有序排列,所以说一般晶体是空间三维对称的。时间晶体除了空间三维对称以外,在时间维度上也是对称的,其中的原子每时每刻都在做着半于时间的周期性位移运动,就像时针里的指针一样,永远循环往复。

但时间晶体有别于其它物质运动,那就是它的原子运动,虽然无时无刻不在进行,但不会从外界吸收或者向外界释放任何能量,有的科学家指出,即使宇宙灭亡了,这种时间晶体微观粒子随时间振荡的运动,也不会停滞。那么,这种晶体的性质,从明面上看,似乎与热力学定律和能量守恒定律相矛盾,这种物质,难道不成还真的是有人苦苦寻找的“永动机”?

答案当然不是。我们之所以找不到“永动机”,是因为宇宙中没有任何一种物质,在没有任何能量输入的情况下,可以维持在运动过程中的能量损耗。然而,时间晶体中原子的运动与其它物质的运动不同,它是处于一种最低能量态下的稳定运动,虽然其中的微观粒子在运动,但是却无法向外释放能量,其内部永远达不到热平衡状态,从而不断地在时间和空间进行着重复排列,在任何时间点上,时间晶体内部的能量,仍是处于一种能量的守恒状态,自然也无法向外做功,当然谈不上是永动机了。

科学家们最近通过量子计算机,制造出了具备较长稳定性的“时间晶体”,虽然目前还不清楚时间晶体是否有实际的用途,但是通过量子计算机强大的微观模拟规则能力,创造出体积更大、较长时间稳定存在的时间晶体,让科学家们对今后研究时间晶体稳定性、可预测性成为了可能,同时还可能对量子计算机信息存贮和运算能力的提升发挥出积极作用。

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