時間晶體是什麼東西?它能讓「意識上傳」成真、實現永生嗎?

2020-11-25 搜狐網

原標題：時間晶體是什麼東西？它能讓「意識上傳」成真、實現永生嗎？

昨天，果殼發布了年度盤點《果殼盤點：2017年度十大科學突破，哪個給你印象最深？》，在文末的投票中，得票最高、最令人期待的就是「時間晶體探索意識上傳可能性」。很多讀者留言說，希望果殼多介紹一下時間晶體是怎麼回事。

恰好，在2017年舉行的 菠蘿科學獎中，時間晶體獲得了物理學獎。本文是當時科學人發布的解讀文章，讓我們來看看它究竟是什麼吧——

作者：水白羊 尹璋琦

編輯：明天

2017年3月，分別發表在Nature和Physical Review Letters兩份頂級期刊上的文章，讓一位青年物理學家的名字在網上流行起來。姚穎，這位來自UC伯克利物理學的助理教授，向世界介紹了製造時間晶體的方法。

時間晶體這一概念，在2012年由諾獎得主維爾切克(Frank Wilczek)首次提出。這是一種新的物質，要理解這種全新的物質，讓我們從最常見的晶體材料說起。

維爾切克獲得了2004年的諾貝爾物理獎。圖片來源：Wikipedia

在我們的生活中，有很多天然具有規則形狀的物質，比如說六角形的雪花，晶瑩剔透的水晶，璀璨奪目的鑽石。這些固體物質就是我們常說的晶體。我們都知道，隨著溫度的不同，水具有氣態、液態、固態三種不同的形態。之所以有這麼大的區別，是因為隨著溫度的降低，水分子的運動越來越慢，在冰點之下就自發地凝結起來了，形成了周期性的有序結構。水分子按照一定的空間周期等間距地排列起來，所形成的冰自然無法隨意形變也無法流動。

愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有一個維度就是時間。我們生活周圍有這麼多在三維空間上結晶的晶體，那麼，是不是也存在著在時間上結晶的晶體呢？這應該是一個很自然的設問。不過直到諾貝爾物理獎獲得者維爾切克（Wilczek）之前，還沒有人提出這個設問並給出答案。維爾切克認為，「時間晶體」是一種處於基態（能量最低狀態）可做周期運動的理論系統，其破壞了時間平移對稱性，因此旋轉時的能量比靜止時還要低，能在不消耗能量的前提下以固定模式運動。

如果用它製造時光膠囊，即使所有的生命都死亡枯寂，地老天荒，宇宙盡頭，我們保存在膠囊裡的回憶也依舊鮮活。

維爾切克說他最初是在上晶體課時想到時間晶體這個概念的。如果與空間晶體類比，那麼時間晶體就是在時間軸上自發地周期性變化的一類物質。其實，我們在生活中都見過「在時間軸上周期性變化的事物」，比如手錶就是。但所有這些事物的運動都不是自發的，需要外界輸入能量才能維持其運動。機械錶要上發條，電子表要換電池，繞太陽旋轉的地球也會越轉越慢。因為對這些系統來說，運動的能量總是比靜止時要高。所以總會發生能量耗散，最終系統停止在能量最低的狀態。而在維爾切克的定義中，時間晶體是一個封閉的系統，無需外加的周期性驅動。這類特殊的系統，旋轉時的能量比靜止時還要低，那麼這種系統最終總會耗散到不斷旋轉的狀態。時間晶體系統會自發的出現周期性的運動，這被稱為時間上的自發對稱性破缺。

所以，維爾切克設想中的時間晶體，是可以自發持續運動的系統，並且在時間上存在周期性的變化。人們已經找到了一些類似系統的實例。比如對於一個很小的超導體金屬環來說，如果我們給它加上磁場，那麼環中就會出現持續不斷的電流。對這個系統，電子的流動時是能量最低的狀態，它將永遠地流動下去。這個例子似乎並不讓人吃驚。可如果金屬環的尺度非常微小，我們將不得不用量子力學來分析它。我們發現，即使金屬環有電阻，在低溫下給金屬環通上磁場，裡面也會出現從不衰減的電流。從某種程度而言，這已經很接近時間晶體了。但是時間晶體的物質密度在時間上存在周期性變化，而有持續電流的金屬環中並沒有出現電子密度隨時間的周期性變化。

為了實現真正的時間晶體，維爾切克設計了一種目前還不存在的帶電材料，它可以由非線性的薛丁格方程來描述，其基態解是一種孤立子。在磁場下，孤立子能量最低的狀態將不再是靜止的，而是以一定的角速度旋轉的狀態。與持續電流不同，孤立子旋轉起來時，在圓環上會出現物質密度的周期性變化，這才能說是出現了真正的時間晶體。

不過維爾切克的設計方案後來被發現有漏洞，孤立子的運動狀態並不是基態。時間晶體存在與否也被很多人質疑。

對於「時間晶體」，我們還有另外一種稱呼：「永遠運動的系統」。這並不意味著它能像永動機那樣無中生有地不斷提供能量——時間晶體的的運動不需要外部能量輸入，但它也不能在不改變自身運動狀態的情況下向外界輸出能量。如果我們把空間晶體和時間晶體的概念綜合起來，那麼實際上就存在一種特殊的物質，可以同時在四維時空中結晶，形成所謂的時間-空間晶體。

在時空中放飛自我的姚穎。圖片來源：Harvard University

姚穎製造的「時間晶體」並不是系統能量最低的狀態， 是需要外加周期性的驅動脈衝的。但有趣的是，系統展現出來的運動周期與外加的脈衝的周期不一樣，比外加的脈衝周期要長，是它的兩倍，三倍或者更多倍。且在外加驅動下，系統不會，或者說很難演化到熱平衡態。這說明他們的實驗展現了時間平移對稱性的自發破缺，而這正是時間晶體的核心概念 。姚穎把它稱之為「離散時間晶體」，姚穎認為，「離散時間晶體」是一種全新的物質形態，與金屬和絕緣體這些人們熟知的平衡態物質不同，「離散時間晶體」處於一種非平衡態。這仍是非常富有爭議的研究和實驗，但確實驗證了時間晶體的理念，也為人們在未來實現維爾切克所設想的真正的時間晶體提供了新的思路。

「時空晶體」最酷的一點，是它能在絕對零度附近保持運動。因此，在維爾切克的設想中，未來會有一天，人類可以對時空晶體進行編程，把大腦意識上傳到「時空晶體」中，做成時光膠囊。它並沒有輸出，只能周而復始地重複我們預先編制好的程序。我們可以把一生中最美好最難忘的回憶和感受存在其中，不斷重演那些最美妙的瞬間。擁有了這樣的時光膠囊，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，那些美妙的情感仍舊永存。

也許，「時間晶體」將為物理學研究打開一個全新世界，然而，讓愛與回憶超越宇宙盡頭，才是我們研究製造「時間晶體」最浪漫的動機。

（編輯：明天）

菠蘿科學獎的其他獲獎研究一覽：法醫秦明、楊永信和泳池裡的尿：菠蘿科學獎頒給了他們！

參考文獻

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