反物理?“四维时空”物质真的存在!

发布日期:2018-06-22字号:【

人们掌握的知识往往是直接或间接被告知的,这些知识可能会被不假思索地吸收,无论它是不是客观的,至少在那个时代被认为是正确的,甚至质疑它都要付出沉重的代价。我国古代有“天圆地方”的说法,西方则有“地心说”,都曾占据当时人们的大脑,有人因反对“地心说”遭受各种折磨,颠沛流离,最终被宗教裁判所烧死在鲜花广场上。人类对客观知识的追求是艰难曲折的,也是一个螺旋式上升的否定之否定的过程,这包括人们对科学知识的认知。

从某种意义上开玩笑的话,有些科学家们可能会被证明是个“空想家”,但这难掩他们探索、求知的贡献,只要是推进认知进步的。

近年科学家们又提出了一件新鲜事物——“时间晶体”,这考验着人们对新事物的态度,或许是个假说、一个谎言、一个创举。但如果提出这个新事物的人是诺贝尔奖获得者,那么大家可能会更相信一些。

提到爱因斯坦这个老头,人们想到的可能就是他的相对论。实际上除了相对论,爱因斯坦还告诉了我们其他知识,比如他认为,我们所在的时空是四维的,是由三个空间维度和一个时间维度凝聚而成的。这得到普遍认可。今天要谈的这个主角“时间晶体”就与这个四维有关。

目前科学家证实一种四维时空物质的存在,其组成结构可以随着时间改变而自行变化,并推测宇宙中存在着无数超出我们认知的物质结构类型。科学家将这种随着时间变化而发生结构改变的“四维时空”物质称为“时间晶体”。

 

图为《自然》杂志封面的“时间晶体”示意图

“时间晶体”的提出

对“俗人”而言,提到晶体就会联想到水晶、钻石以及石英石等深受人们喜爱的贵重物品。但对物理学家来说,这些只是由规则原子结构在空间重复排列的晶体,原子结构还能在特定条件下沿着时间轴呈现周期性变化。

由此物理学家创造了一种新的物质形态,该物质的原子不仅在空间上呈现周期性结构,同时在时间上亦是如此。科学家将其命名为“时间晶体”——曾被认为不可能存在的物质。

“时间晶体”理论最先由诺贝尔奖获得者、麻省理工学院物理学家弗兰克?维尔切克于2012年提出,当时他发表论文阐述了相关理论,他认为“时间晶体”是一种处于基态(能量最低状态)可做周期运动的理论系统。

“时间晶体”究竟是什么?

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。一般来说,处于势能最低状态,意味着一件东西是静止的,然而新制造出的时间晶体处于势能最低状态,却仍然是“运动”的,类似于一个不用上发条的永远旋转的钟表。这种运动不意味着它能做功,而是你在不同时间观测它,它呈现出不同的样子;其破坏了时间平移对称性,因此旋转时的能量比静止时还要低,能在不消耗能量的前提下以固定模式运动。

有研究人员用海绵来帮助人们理解“时间晶体”的概念,当人们每次用同样力量捏海绵时,海绵会周期性呈现相同的形状,“时间晶体”内量子系统具有类似运动。

“时间晶体”被证实真的存在

2017年,两支美国团队分头模拟出了时间晶体,一条路径是使用激光干涉金属“镱离子链”,另一条是用“人造金刚石的人工晶格”。两项研究成果都发表在2017年的《自然》(Nature)杂志上。

“镱离子链”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。

(图片来自Chris Monroe, University of Maryland)

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。

(图片来自Norman Yao, UC Berkeley)

“人造金刚石的人工晶格”的时间晶体是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“镱离子链”相同的结果。

(图片来自APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme)

印第安纳大学的Phil Richerme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。”

“时间晶体”的意义

物理学家表示,“时间晶体”打开了一个全新的非平衡相物质世界,并且有一天可被用于开发超级安全的量子计算机。为人类研究物质特性打开了全新的思维方式。

我们熟悉的世界,是平衡态物质的,而时间晶体是一种非平衡态的物质。超导体永恒导电,时间晶体永恒运动,物理世界比我们想的更神奇。