“时间晶体”做出来了

白熊1

诺奖得主预言的时间晶体真的被发现了
时间: 2017年03月06日 | 作者: admin | 来源: Sciencealert

这种晶体不是在空间上存在周期性重复，而是在时间上存在重复。



“时间晶体”（time crystal）是由诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）于2012年首先提出的概念。它是什么？如果说一般晶体最核心的特征是空间上的周期性重复特征，那时间晶体就不仅存在空间上的重复，而且存在时间上的重复。更奇怪的是，它们处在持续振荡的状态中，却没有任何能量。

目前，这个概念已经得到学界的证实！去年8月，加州大学伯克利分校的物理学家Norman Yao及合作者详细报道了如何制造与刻画这种奇特的晶体，将论文发布在预印本网站arXiv上，近期发表在物理学权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。而实验科学家在看到发布在arXiv上的这篇论文后也开始进行实验研究，已有两组独立科学家团队表示，他们已经根据这一蓝图在实验室中制造出时间晶体，证实了这个全新物态的存在。

这个发现听起来可能很抽象，但它却预示着物理学的一个全新领域的存在。几十年来，我们一直研究的都是处于“平衡态”的物质，比如金属与绝缘体间的平衡。然而，科学家认为，宇宙中应该还存在着一些处在非平衡态的奇特物质，时间晶体就是其中一种。我们之前很少研究这些物质，但是现在我们知道这样的物质是真实存在的。

这第一例非平衡态物质的发现，将帮助我们更加深刻地理解周围世界，并且有助于我们理解新兴的科学技术，如量子计算。该项工作的主要研究者，来自加州大学伯克利分校的Norman Yao认为：“时间晶体带给我们的惊喜不仅在于它证明了新的物态的存在，更在于它说明了非平衡态物质的存在。20世纪后半叶，我们一直在研究金属-绝缘体等平衡态物质，现在我们才开始探索非平衡态物质这一全新领域。”



什么是时间晶体？



事实上，时间晶体的概念并非近年才提出，让我们先来回顾一下时间晶体概念的发展。

2012年，诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克首次预测了时间晶体的存在。普通晶体拥有在空间中重复排列的原子结构，例如钻石中的碳晶格。但是爱因斯坦的相对论告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有第四维度，也就是时间。因此，维尔切克就在想，会不会有在时间上重复的晶体呢？经过计算，他认为这类晶体不仅存在，而且具有一种奇特的性质：它在基态时也会维持振荡的状态。

通常情况下，当物质处于基态、也就是系统的零点能时，理论上是不可能发生运动的，因为运动需要消耗能量。但是维尔切克认为，这一通常假设并不适用于时间晶体。

时间晶体就像果冻一样，你轻轻一碰，它就一直抖动。但是这种运动的不同之处在于，它不消耗任何能量。时间晶体就像是在自然的基态条件下持续振荡的“果冻”，它不可能保持静止，这使得它成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。



创造时间晶体



但是，预测时间晶体的存在是一码事，创造时间晶体完全是另外一码事，这也是新研究的切入点。

Yao及其团队详细描述了如何创造并衡量时间晶体的特性，他们甚至预测出了时间晶体的多种物相的特点。这意味着他们已经找到这种全新物质形态中等价于固相、液相、气相的物态。该研究成果发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters，PRL），Yao认为他们的文章是“理论观点与实验验证之间的桥梁”。

时间晶体的存在不再只是推测。基于Yao的实验方法，来自马里兰大学与哈佛大学的两个独立团队已经创造出各自的时间晶体。他们都已于去年年底在arXiv上发布了结果，并已向同行评审期刊提交了论文，这两篇论文的作者里都列上了Yao的名字。

在论文未发表前，我们理应对这两项研究保持一定的怀疑。但是，两个独立团队已经采用相同的方法在差异巨大的系统中创造出各自的时间晶体，这一结果确实令人振奋。

马里兰大学的时间晶体是通过将十个镱离子排成一列，并使它们的电子自旋相纠缠而得到的。

将这样排列的镱离子变为时间晶体的关键是使这些离子保持在非平衡态，为了达到这一目的，研究者们用两束激光对其进行交替照射。一束激光用于创造磁场，而另一束激光则用于快速地翻转部分原子自旋方向。由于所有原子的旋转纠缠在一起，这些原子最终进入一个稳定、重复的自旋翻转模型中，成为晶体。

上述过程不足为奇，但要创造时间晶体，系统必须打破时间对称性。在观察镱原子排列时，研究者们注意到了一些奇特的现象：定期照射镱原子的两束激光使镱原子系统产生了一种周期性重复，这一周期是激光照射周期的两倍，在通常的系统中观察不到这样的现象。

“如果你轻轻晃动吉露果子冻，却发现它以不同的频率抖动，这不是非常奇怪吗？”Yao说道。“但这就是时间晶体的本质特点。当一个系统接受以T为周期的周期性驱动时，系统会产生一种‘同步’，因此你会观察到系统以大于T的周期在振荡。”

在不同的磁场和不同的激光脉冲中，时间晶体会发生物态改变，就像冰块融化一样。

哈佛大学的时间晶体则与此不同。研究者们利用了钻石中紧密包裹的氮-空位中心制造时间晶体，得到与马里兰大学相同的结果。

印第安纳大学的Phil Richerme并未参与该项目的研究，他认为：“在两种非常不同的系统中都得到时间晶体这一事实表明时间晶体是一种全新的物质状态，而不仅仅属于有限或特定的系统。在不同的系统中均观察到时间晶体这一事实证实了对称性破缺基本可以发生在所有自然领域中，同时也为一些新领域研究开辟了道路。”



编译 张雪 房苑
审校 丁家琦



原文链接：
http://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals

mustang_er

有时候我在想…

万一那些科学家就是在随便编论文然后骗经费呢？？我们怎么会懂他们在干什么？？

蚩尤

楼上说的好有道理！！！

不西木瓜

把时间和空间放大到极限，宇宙不也可能是一个时间“晶体”吗，这样也顺便否定了热寂

bxl

脑子不够用了

哔哔老子

喵，苗，缈，妙！

wrhunter

mustang_er 发表于 2017-3-7 18:03
有时候我在想…

万一那些科学家就是在随便编论文然后骗经费呢？？我们怎么会懂他们在干什么？？

所以实验要有可重复性，你不能在所有的时间骗所有人。

jmbrowning

呃....谁借我张饼？

老钱

不西木瓜 发表于 2017-3-8 09:22
把时间和空间放大到极限，宇宙不也可能是一个时间“晶体”吗，这样也顺便否定了热寂

热寂并不和这个冲突。你把长度尺寸放大到了宇宙尺寸，那么相应的震荡周期也要放大到数亿年——对人类而言就是单向的热寂。。。

不西木瓜

老钱 发表于 2017-3-13 10:21
热寂并不和这个冲突。你把长度尺寸放大到了宇宙尺寸，那么相应的震荡周期也要放大到数亿年——对人类而言 ...

如果存在不断重复自身的周期，那热寂这个概念就不能存在，因为如果有重复，无关参考系，类比时间晶体不增加熵的永动，那么熵本身也就必然存在一个由无限大至零的过程，于是这就违反了热力学第二定律，热寂理论便也无法得到推导。这种理论本身也挺令人绝望的，这即是说宇宙内所有的物质到头来都处于一个无限大的土拨鼠之日里，宇宙诞生之前存在一个同样的你做过同样的事，宇宙毁灭之后也一样会存在一个同样的你预备做同样的事

老钱

不西木瓜 发表于 2017-3-19 18:25
如果存在不断重复自身的周期，那热寂这个概念就不能存在，因为如果有重复，无关参考系，类比时间晶体不增 ...

额，有一些物理现象，暂时用我们现在的设备和数学是无法观察到和推导出来的。

比如说高于光速的世界；低于绝对零度的世界；以及热寂之后的世界。

你也说了，热力学第二定律，这并不是定理或者定义，只是就目前观察到的现象的一个无法证明证否推导推翻的客观规律而已，并不是绝对不会错的。在新观察手段出现后，有可能推翻或者在其基础上加以修正。。类似于牛顿三大运动定律被微观运动和量子力学所修正为极低速情况下的运动规律而已。

而且，就算如同你所举的例子，新的土拨鼠之日，但是其中也存在自由意志——汤姆汉克斯。。所以所有的事情不可能全部一模一样重复一遍——就算重复了，你又不记得，那有啥关系呢？？

如果，你和老钱一样，是一个不承认随机性的因果论论者，那才有一丝丝忧虑的必要——那跟我们有啥关系呢？反正我们活不到那时候。

wu80000

好复杂。。。

不西木瓜

老钱 发表于 2017-3-19 21:20
额，有一些物理现象，暂时用我们现在的设备和数学是无法观察到和推导出来的。

比如说高于光速的世界； ...

我是说热寂只是热力学第二定律的一个推论，你把它单独提出来或者假设它存在并没有意义，一旦熵值并非只增不减，这个推论就无法得出。至于土拨鼠之日，我所类比的自然不包括自由意志，否则还怎么能算“重复”的“时间晶体”？最后，我胡诌了一个循环的宇宙，谁又知道时间会不会也是可逆可变的维度，而前后的所有宇宙都是同一个？如果是这样，那讨论或担忧未来便也没有意义，因为时间流向逆转后过去就是未来，我们所有人以及物质都只是在这片时间海里前后晃荡