科學界新發現:「真正的永動機」、自主運行的時間晶體理論上可能存在

2020-11-26 前瞻網

時間晶體是一種四維以上的空間晶體晶格，在時空中擁有一種超短程的周期性結構運動，就像標準晶體是由空間上有規律重複的原子組成一樣。

可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。通常情況下所謂的永動機的能量會隨著運動而消耗，但時間晶體的運動應該不消耗任何能量，而是處於一種穩定的最小能量狀態。

有了時間晶體，科學家們將擁有一種全新的，更加有效的手段對複雜的物理屬性和大量粒子的複雜相互作用行為進行研究，或者是研究物理學中所謂的"多體問題"。在研究量子糾纏時，時間晶體也用得上。

2012年初，時間晶體的理論由諾貝爾物理學獎得主麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克(Frank Wilczek)和肯塔基大學的Alfred Shapere提出。時間晶體的概念最初是有爭議的。研究人員很快證明了一個no-go定理，即在典型的條件下，時間晶體不可能存在。

科學家在2016年首次創造了時間晶體。但是這些晶體需要雷射的周期性爆炸來激發它們有節奏的行為。

現在，兩位科學家已經勾勒出了一幅理論藍圖，描繪出了物質奇態的新版本。

兩人在11月22日的《物理評論快報》上報告說，他們的時間晶體將在沒有外界任何輸入的情況下持續存在。

英國埃克塞特大學的理論物理學家奧列克桑德爾·基裡延科(Oleksandr Kyriienko)和冰島雷克雅未克大學的瓦萊麗·科津(Valerii Kozin)想要設計一個自我維持的時間晶體。

「我們說，『我們根本不想推動這個系統，』」Kyriienko說。

這兩人利用了「No-go理論」的第二個例外——系統涉及到非常長距離的相互作用，在這種相互作用中，原子或其他被遠距離隔開的微小粒子可以相互影響。

這樣的長期效應通常不會在自然界中發生:例如，一個房間內兩個相對的原子通常不會相互施加力。

基於這些相互作用，研究人員提出了一個新的時間晶體場景，由許多這樣的粒子組成，每個粒子都有一個自旋——角動量的量子版本。

粒子的自旋之間的相互作用將被配置，使得遠近的粒子可以同時相互影響，這是通過實驗室裡一些未指定的量子操作實現的。

在這段時間裡，晶體中的粒子彼此之間會有高度的糾纏，這意味著它們之間會有可以持續長距離的量子鏈。

在這樣的條件下，遙遠的時間晶體部分可以互相影響。

研究人員說，其結果是，自旋之間的相互關係——無論相鄰粒子的自旋是否對齊——將以一種有規律的方式在時間上無休止地振蕩，產生一種時間晶體。

科學家們通常研究的是短程或局部相互作用的粒子系統。

東京大學的物理學家Haruki Watanabe說，研究人員早就知道，「一旦位置被違反，就會發生一些奇怪的事情。」他是證明了no-go定理的研究人員之一。

他說:「所以我不會對這些遠程交互系統的行為感到驚訝。」

但目前還不清楚這樣的系統能否在實驗室中創造出來。要同時在多個粒子之間產生長距離的相互作用並非易事。

Haruki Watanabe說:「我認為實現他們提出的遠程交互系統是不可能的。」

但是Shapere很樂觀，他認為科學家可能會使用量子計算機或冷原子來製造時間晶體或類似的東西。

當Wilczek和Shapere第一次提出時間晶體的想法時，他們設想的是一個沒有任何外部輸入的系統。

Shapere說:「這篇論文讓我們更接近最初的想法。」

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