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sun99com _时间晶体—一种特殊形式的“永动机”


时间晶体—一种特殊形式的“永动机”

  • ?物理学家计划在称为离子阱的设备内创建一个“时间晶体” - 一种在不使用能量的情况下以重复模式移动的理论对象。

诺贝尔奖得主、物理学家弗兰克·威尔切克决定公开一个奇怪的、令他担心的、有点尴尬的想法。尽管看起来不可能,但威尔切克已经提出出一个“时间晶体”的明显证据。“时间晶体”是一种重复运动的物理结构,就像钟表上的分针一样,既不消耗能量,也不会停止转动。与时钟或任何其他已知物体不同,时间晶体的运动不是来自于储存的能量,而是来自于时间对称性的打破,从而实现了一种特殊形式的永动机。

麻省理工学院教授威尔切克表示:“物理学的大多数研究都是对前人研究成果的延续。”他说,这“有点超出常规”。

威尔切克的想法得到了物理学家们的低调回应。他是一位杰出的教授,以发展奇异理论而闻名,包括被称为轴子和任意子的粒子的存在,以及发现了核力的一种被称为渐近自由的性质。但是“永动机“,被物理学的基本定律认为是不可能的,是难以接受的。这项工作是一个重大突破还是逻辑错误?波兰亚吉隆尼亚大学物理学教授、原子光学系主任雅库布·扎克泽夫斯基在威尔切克发表论文的同时,就这项研究撰写了一篇观点文章。他说:“我就是不知道。”

现在,一项技术的进步使物理学家有可能测试这个想法。他们计划建造一个时间晶体,并不是希望这个永久移动设备能产生无穷无尽的能量(一千多年来,发明家一直在徒劳地努力),而是希望它能产生一个更好的时间理论。

一个疯狂的概念

这个想法是威尔切克在2010年准备一次课堂演讲时想到的。“我在考虑晶体的分类,然后我突然想到,把空间和时间放在一起考虑是很自然的,”他说。“所以,如果你考虑空间中的晶体,考虑晶体行为在时间上的分类也是很自然的。”

当物质结晶时,它的原子自发地组织成三维晶格的行、列和栈。一个原子占据了每一个“晶格点”,但是原子之间的力量平衡阻止它们占据晶格点之间的空间。由于原子突然有了一组离散的、而不是连续的选择,晶体被认为打破了自然的空间对称性——通常的规则是空间中的所有地方都是相等的。但是自然的时间对称性又如何呢?

诺贝尔奖得主、物理学家弗兰克·威尔切克经常提出一些古怪的理论,最终进入主流。“当然,并非我做的每件事都奏效,”他说。

威尔切克考虑了好几个月。最终,他的方程表明,原子确实可以在时间上形成一个有规律重复的晶格,只有在离散(而非连续)间隔之后才会回到它们最初的排列,从而打破时间对称性。如果不消耗或产生能量,时间晶体将是稳定的,处于物理学家所说的“基态”,尽管在结构上有周期性的变化,科学家称这种变化可以解释为永动机。

“对于物理学家来说,考虑一个依赖于时间的基态确实是一个疯狂的概念,”加州大学伯克利分校量子物理学家哈特穆特哈夫纳说。基态的定义是能量为零。但是如果状态是随时间变化的,这就意味着能量在变化。有东西在移动。”

一个东西怎么能在不消耗能量的情况下永远运动呢?这似乎是一个荒谬的想法,是对公认物理定律的重大突破。但威尔切克关于量子和古典时间晶体的论文(后者由肯塔基大学的阿尔弗雷德·沙皮尔通过了一个专家评审团的评审,并于2012年10月发表在《物理评论快报》上。威尔切克并没有声称他知道自然界中是否存在打破时间对称性的物体,但他想让实验主义者尝试制造一种。

他说:“这就像你画目标,然后等着箭来射。”“如果实现这种行为没有逻辑障碍,那么我希望它会实现。”

时间晶体—一种特殊形式的“永动机”

  • ?获得诺贝尔奖的物理学家Frank Wilczek经常发展出最终进入主流的古怪理论。“当然不是我所做的一切都有效,”他说。

大考验

由伯克利纳米工程师张翔和张翔团队的物理学家、博士后李桐仓领导的一组物理学家提出,以带电原子(或离子)的持续旋转环的形式,创造出一种时间晶体。(李说,在阅读威尔切克的论文之前,他一直在考虑这个想法。)该小组的文章与威尔切克的文章一起发表在《物理评论快报》上。

从那时起,一位批评家—法国欧洲同步加速器辐射设施的理论物理学家帕特里克·布鲁诺——对学术文献发表了异议。布鲁诺认为,威尔切克和他的公司错误地识别了处于激发态的物体的时间依赖行为,而不是它们的基态。能量过剩的物体以循环的方式运动,随着能量的耗散运动衰减,这并不奇怪。要成为时间晶体,物体必须在基态中表现出永久运动。

布鲁诺证明,在威尔切克作为量子时间晶体的一个假设例子所提出的模型系统中,较低的能量状态是可能的。威尔切克说,虽然这个例子不是一个时间晶体,但他不认为这个错误“对基本概念提出了质疑”。

“我证明了这个例子是不正确的,”布鲁诺说。“但我没有一般的证据——至少到目前为止没有。”

这场辩论很可能不会在理论上得到解决。“球真的在我们非常聪明的实验同事手中,”Zakrzewski说。

由伯克利大学科学家领导的一个国际团队正在准备一项精细的实验室实验,尽管根据资金或不可预见的技术困难,完成这项实验可能需要“3到无穷大年”,与张合作的首席研究员哈夫纳说。人们希望时间晶体能将物理学推到量子力学精确但似乎不完美的定律之外,并为更伟大的理论开辟道路。

李说:“我很有兴趣看看我是否能追随爱因斯坦做出新的贡献。”“他说量子力学还不完整。”

构建离子环

在爱因斯坦的广义相对论(控制引力和宇宙的大规模结构的法律体系)中,时间和空间的维度被编织在同一个结构中,称为时空。但是在量子力学(控制亚原子尺度相互作用的规律)中,时间维度的表现形式与空间的三个维度不同。“令人不安,美学上令人不愉快的不对称”,Zakrzewski说。

时间晶体—一种特殊形式的“永动机”

?加州大学伯克利分校计划进行的时间晶体实验的说明。电场将被用来将钙离子聚集到一个100微米宽的“陷阱”中,在那里它们将形成一个晶体环。科学家们认为,静磁场会导致土星环旋转。

时间的不同处理可能是广义相对论和量子力学之间不相容的一个来源,其中至少有一个必须改变,因为有一个包罗万象的量子引力理论(被广泛视为理论物理学的一个主要目标)。哪个时间概念是对的?

如果时间晶体能够以与传统晶体破坏空间对称性相同的方式打破时间对称性,“它告诉你,在自然界中这两个量似乎具有相似的性质,并且最终应该在理论中反映出来,”Hffner说。这表明量子力学是不充分的,并且更好的量子理论可能将时间和空间视为同一结构的两个线程。

伯克利领导的团队将尝试通过将100个钙离子注入由电极包围的小室中来制造时间晶体。由电极产生的电场将离子置于100微米宽的“陷阱”中,或大致是人发的宽度。科学家们必须精确校准电极以平滑磁场。因为相同的电荷排斥,离子将在陷阱的外边缘周围均匀地自我隔开,形成结晶环。

首先,离子将在激发状态下振动,但是像DVD播放器中发现的二极管激光器将用于逐渐散去其额外的动能。根据该组的计算,当离子被激光冷却到绝对零度以上的十亿分之一左右时,离子环应该稳定在基态。从捕集电极发出的背景热量长期以来阻碍了这种温度状态的进入,但一种用于清除电极表面污染物的突破性技术使离子阱背景热量减少了100倍。“这正是我们需要实现这一实验的因素。”。

接下来,研究人员将开启陷阱中的静磁场,他们的理论认为这应该诱导离子开始旋转(并继续无限期地这样做)。如果一切按计划进行,离子将以固定的间隔循环到它们的起始点,在时间上形成规则重复的晶格,从而破坏时间对称性。

为了观察环的旋转,科学家们将使用激光切割其中一个离子,通过将其置于与其他99个离子不同的电子状态来有效地对其进行标记。当其他人被第二个激光器变暗时,它将保持明亮(并显示其新位置)。

如果明亮的离子以稳定的速率环绕环,那么科学家们将首次证明,时间的平移对称性可以被打破。“这将真正挑战我们的理解,”李说。“但首先我们需要证明它确实存在。”

在此之前,一些物理学家将继续深表怀疑。“我个人认为不可能在基态检测运动,”布鲁诺说。“他们可能能够在一个环形陷阱中制造一圈离子,并用它做一些有趣的物理学,但他们不会看到他们声称的那些永不停息的时钟。”

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