30頁手算解決物理學爭論——相變、對稱性破缺與時間晶體

2020-12-12 DeepTech深科技

自發對稱性破缺能夠神奇地導致許多新材料出現。所謂「對稱性」，就是在如空間、時間、能量等相應的方向上，物質的結構、性質以及物理定律不變。當對稱性破缺時，物質就會產生一系列物態、導熱性、導電性、應力特徵等方面變化。

圖丨問題是對稱的，解決方案不對稱；自然法則是對稱的，物質受法則支配的狀態不對稱，這就是自發對稱性破缺

如果把這個話題應用在我們在日常生活中，其最直接的表現就是物態變化。如冰晶體中的水分子從左到右、從上到下的排列呈現一個高度有序的狀態，也就是在空間上具有平移對稱性。舉例而言，冰融化成水的過程實為一個平移對稱性破缺的過程，破缺後的液態水高度無序，並達成了所謂的相變。

毫無疑問，在數學上，高度有序的晶體淺顯易懂的——它們在標準大氣壓下有著確定的熔點和沸點，且物理學家早已提出了一系列理論以概括其物理性質。但對於包括玻璃、冷凍食物、塑料等非晶體的相變過程，目前還沒有得出普遍接受的理論。

圖丨顯微鏡下的非晶體（左）和晶體（右）結構

不得不承認，在長達 30 年的時間裡，物理學家們一直對於非晶體是否有相變過程的問題爭論不休，該相變過程僅存在於理論模型中，還無法在現實非晶體物質中得到驗證。

然而，在粒子物理學的幫助下，杜克大學研究員 Sho Yaida 不久前終於通過幾十頁的長篇手算解決了這個持續了 30 年的爭論。

圖丨通過三十頁的手寫計算，杜克大學的研究者Sho Yaida終於結束了關於玻璃等「無序」材料在低溫下的相位問題。該相位可能是一個全新的理論物態

對此，Sho Yaida 的導師、杜克大學化學系教授Patrick Charbonneau 表示，他們找到了這種相變存在的線索，但換做以前沒人敢這麼說，因為學術界認為這種相變是不可能存在的。無論如何，他們的研究結果已經證明了，這種相變完全有可能存在。

對於這位化學系教授而言，這項研究最奇異的地方在於：把玻璃和其他無序系統的數學模型放在假想的高維宇宙中其實更容易解。在維度無限的情況下，他們的性質能被展開得更加簡單易懂，就像我們在三維圖像上解決晶體的相位問題一樣。

然而，這一相變也在三維中存在嗎？在上世紀八十年代就有一個研究團隊通過數學計算否定了這一可能。所以，在過去三十年中，學界的普遍觀點仍然是，存在於高維的計算結果在三維世界中無效。

直到最近，Charbonneau的模擬實驗才發現，三維玻璃上也存在相變的蛛絲馬跡。

圖丨早期的計算無法在相位圖中找到一個交點（左圖），也就不能確定相變的明確時機。而Yaida的研究確定了該點的位置，並找到了玻璃在低溫條件下的相變條件

然而，在看了運算結果後，有著粒子物理背景的 Yaida 突然意識到，過去的研究並不能全盤否定這相變存的在可能，也許稍微進一步的計算就能找到這一物態變化的時機節點。於是，歷時一個月，在30頁紙手算的嘗試後，Yaida終於做到了。

對此，他不禁感嘆道：「這個努力的過程就是我投身於科學的原因，這個小小的定點對於這個領域的研究人員來說意義重大。它使七八十年代研究所探尋的奇異物態在真實的三維世界中有了意義。」

圖丨杜克大學博士後研究員 Sho Yaida (左) 和其導師Patrick Charbonneau (右)

實際上，新的研究動力在於，這一步驟很有可能存在於玻璃形成的過程中，而且一旦證明非晶體相變真實存在，將對材料領域帶來不可估量的影響。對此，Charbonneau 表示，「我們必須認真對待該點在三維世界中存在的可能性，它影響了聲音的傳播，熱的吸收，對信息內容的傳導。該研究深刻地影響了我們對非晶體的認識，無論它們是一團塑料、一盤散沙、還是一塊玻璃。」

在嚴格審查過後，這項手算獲得的成果終於發表在 5 月 26 日的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

圖丨玻璃在低溫下的「無序」狀態可能是一種新的理論相位

回到對稱性破缺的話題上，除去在晶體物態變化上有著顯著作用，該理論與物理學界的各大熱門話題都密不可分。比如，規範對稱性破缺就能將導體變成超導體，非阿貝爾規範場的破缺則能賦予基礎粒子以質量。

實際上，最近大熱的時間晶體也是物質在時間對稱上的破缺。物質在各個時間的狀態應該是連續的，也就是說如果沒有外界的影響上一秒的結構和下一秒的結構應該是連續的、一樣的。如果物質自發性地在隨著時間的漸進而呈現出周期性的變化，「時間晶體」就誕生了。

2016年8月，加州大學伯克利分校物理系助教授 Norman Yao 在《物理評論快報》上發表的論文表明，在他們製造的鈣離子阱中，能引導鈣離子環在磁場中開始永久地轉下去，並每隔一段時間就會回到最初的位置上，從而形成一個個在時間上重複排列的「晶格」，時間對稱性由此被打破。

圖丨加州大學伯克利分校的時間晶體實驗說明：通過電場將鈣離子圍繞在一個100微米寬的「陷阱」中，使它們形成晶體圓環。科學家們相信，靜磁場會使圓環轉動

儘管如同石墨烯最初一般，時間晶體到底有些什麼應用現在還並不明確。但至少有一點是肯定的，時間晶體的超級穩定性可以作為對抗退相干效應的有力武器，來保證一個量子態的壽命。如果量子態可以被強化，它還可用作製造更穩定的量子計算機內存，和進行更精確的測量。

因此，今年 3 月出版的《自然》雜誌，也將這一發現作為封面文章進行了詳細解讀。

圖丨2017 年 3 月出版的《自然》雜誌封面文章：《時間晶體》

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