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打破了物理常识的时间晶体究竟是什么?

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打破了物理常识的时间晶体究竟是什么?

雪花又一年 2018-05-03 14:51:00 浏览160 评论0

摘要:  2012年,诺贝尔奖得主、麻省理工教授维尔切克首次提出了时间晶体的概念。         晶体,就是物质内部的原子自发地排列成有序结构,在外观上看起来晶莹剔透。例如冰块、食盐、钻石,等等,都是晶体。

 2012年,诺贝尔奖得主、麻省理工教授维尔切克首次提出了时间晶体的概念


        晶体,就是物质内部的原子自发地排列成有序结构,在外观上看起来晶莹剔透。例如冰块、食盐、钻石,等等,都是晶体。这些都属于三维空间上的晶体,既静态的晶体,也就是在没有外部能量加入(外力作用)的情况下,不会发生变化。普通晶体是一种平衡态物质,在耗费能量最少的状态,处于一动不动的状态。




        时间晶体,就是指在没有外部能量加入(外力作用)的情况下,也会发生周期性变化的晶体。时间晶体,也可叫做四维晶体,即在三维的基础上加上了时间之维。举个不太恰当的例子,这就像一杯水在温度完全不变的情况下,每隔十五分钟就会变成冰,然后再融化成水。循环往复,永不停止,即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。


        时间晶体,是一种非平衡态的物质,在不受外力的作用下,仍然处于周期运动的状态。


        时间晶体,可以随着时间而改变,但又会持续回到它开始时的相同形态。 就像一只可以永远保持走时精确无误的钟,移动的指针周期性的回到它的原始位置。




        时间晶体处于“动态”与“静态”之外的“颤态”。


        时间晶体能自发破坏时间平移的对称性,做空间的非平移运动。


        时间晶体的构成以‘空间’非定域的粒子交叉存,在做相互关联运动,是能效粒子的‘额外维’超出‘定域空间’的能动量。


        时间晶体的存在,揭示了‘超额外维度’的存在意义。




        时间晶体的运行机制类似于超导体,在极低温的状态下仍然可以运载电流,保持永久性运行。即使宇宙进入了永远黑暗、永远寒冷的热寂状态,一切物质都无法获得使自身运行的能量,可时间晶体仍然不受影响,继续工作。


        时间晶体遵循一种被物理学家称为“时间对称破缺”的理论。这种理论就是:无论在空间上你在哪里,还是时间上你在哪里,物理学原理都同样适用。


        你可以实施一项物理学实验,可以进行某些测试,然后带上这些实验设备转移到任何方向一个任意短距离内的地方,或者在短时间内等待任何时长后再次进行某些实验,在所有这些实验中你应该得到同样的结果。在这种情况下,时间和空间被称为完美对称。




        根据物理学家的观点,一个时间晶体应该是一种自然的物体,它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样,其中的碎片一直在循环往复地旋转形成各种美丽的图案;或者像时钟一样,其时针每12小时完成360度旋转。


        不过,与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是,时间晶体是在自己的永动机制的支持下实现永远运动,而这种永动机制必须要符合物理学定律。


        构建一个时空晶体,存在着实际和重要的科学理由:有了这种4维晶体,科学家们将拥有一种全新的,更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用行为进行研究,或者是研究物理学中所谓的“多体问题”。


        这种时空晶体同样可以被用来对量子世界进行研究,如量子纠缠现象,在这种状态中,当对其中一个粒子进行操作时,另外一个粒子也会相应地发生变化,即便这两个粒子之间隔开着巨大的距离。


        时间晶体并不违背能量守恒定律。通常情况下,所谓的永动机肯定不会长久,因为它们并不是处于一种基态,它们的能量会随着运动而消耗,最终能量会消耗殆尽。在时间晶体中,能量是守恒的,因为没有任何能量被移走。在这些物体中,物体中原子的运动速率并非为零。


时间晶体的大用途


        第一是在量子模拟上,由于量子计算的相干特性,一些量子模拟研究研究需要在零下两百摄氏度左右的极低温度中才能稳定进行,这就给量子计算的普及带来很大困难。而时间晶体的周期运动特性更加稳定,不受热力影响。可以作为量子模拟系统的元件,让量子模拟运行的成本更低。


        第二是在超高灵敏传感器上,传统的传感材料,例如钻石,只能有限的接受温度、磁场等等的变化,如果信息过多就会导致量子态混乱。而时间晶体的稳定特性使其可以接受大量的变化信号,去检测细胞活性、原子层厚度等等的变化。这样稳定的高敏感传感器,会让生物医学产生突飞猛进的发展。


        第三是在量子计算机上,制造量子计算机的一大难点就是找到一种材料,既可以大量读写储存,又可以保持恒定运动的量子态。目前看来,稳定的时间晶体拥有绝佳的储存能力,很可能就是最适合的材料。


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:windywu
本文来源:量子科学,如需转载请联系原作者。

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