科学家：“时间晶体”有可能存在(图)

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  Q2 a$ }4 a( h  |公仔箱論壇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。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。3 S$ b$ Z) X5 {) n: S, ?9 t+ K; b
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，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。) N/ w' F1 b) I6 Z2 D3 `  L0 |7 d/ Q
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。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。5 M# {, M0 @- P3 X% Q- W
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。
/ g% M6 J# B/ [, |7 w; ?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。os.tvboxnow.com) K# q, d" g% J, Q9 w" Y+ C. Z$ v
“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加国·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。”os.tvboxnow.com9 Z( m! W$ k& W$ D
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。
5 p9 m- Z/ B. M8 Q) {公仔箱論壇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。3 {. B, ?9 S" @' ^, D
在这项最新研究中，物理学家专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。
2 R' b% M- w( L. }: G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。TVBNOW 含有熱門話題，最新最快電視，軟體，遊戲，電影，動漫及日常生活及興趣交流等資訊。. ?. N  i, U- Q! M+ h& r' Z( |
“我们的工作有两大意义。从一方面来看，它说明了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。”公仔箱論壇3 X+ ~) J0 X* x
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。公仔箱論壇7 M& M. O( w9 D- }. G& ~
“我们正在和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。