原子也会自发地处于较低的能态中;离子环不仅可以在时间中进行周期性的重复运作，也可以在时间保持类似的特性

麻省理工打造可超宇宙寿命的“时间晶体”

时间:2012-08-02 16:13来源:101网校 作者:jzxx02 点击: 74次

据国外媒体报道，科学家发现宇宙中存在一种神秘的物质状态，可形成不可思议的“时间晶体”，更为奇特的是这类物质形态的运行机制如某种超导体，在低温环境下可运载电流，可能在不接受外部能量的情况下保持永久性运行，因此即便宇宙已经处于“热寂”状态，这样的体系还是能保持下来。 和普通晶体不同的是，即使在能量最小态，这个晶体也会永远转动。这种永恒转动产生了时间上的周期性结构，从而形成了一个时空晶体。 科学家认为对神奇的“时间晶体”进行研究，为我们建造该体系新蓝图迈进了一步。普通的晶体的原子、分子排列具有一定的空间形态，可呈现出规则的几何形，并存在周期性排列的特征，就比如氯化钠这样的离子晶体，其空间结构呈现出立体对称，为一个八面体构造。通过这样的空间形态，可以为整体结构的化学性能保持最低的能量来维持晶体状态。 在今年早些时候，来自麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）曾推测这类未知状态的物质可形成“时间晶体”，并且可发生周期性的重复，更为重要的是在被称为宇宙第四维--时间纬度上进行周期性重复。将一个普通的晶体转换为在第四维度上的空间对称性，“时间晶体”中的原子会出现不停地旋转，而回归到其初始的能态上。更为重要的是，这些原子也会自发地处于较低的能态中，这意味着它们可以在宇宙处于熵寂或者温度冷却到“统一温度”时，也可以自然保持该体系的运作。 “时间晶体”中不断运行的机制通常会违法热力学定律，超导体中的电子被允许进行连续而不间断地运行。理论物理学家弗兰克·维尔切克最初建议超导环可以看作是一种“时间晶体”，如果电子流可以被分离而不是以一个整体、持续的状态出现，也可以确保出现周期性的重复。但是弗兰克·维尔切克并没有指出如何在现实世界中打造这样的“时间晶体”超导环。 根据加州大学伯克利分校李（Tongcang Li）教授、以及位于密西根大学安娜堡分校、中国清华大学的几位同事认为这样的超导环的建造还是存在可能性。首先，我们需要一个离子阱（Ion trap），这是一种通过磁场或者电场就带点离子束缚在一定空间范围内的装置，处于极地的温度下，这样就可以使得离子形成一个类似环状晶体的结构。接着，我们将通过一个微弱的静态磁场，从而将离子旋转起来。在量子力学中，允许粒子的旋转能量必须大于零，甚至当超导环冷却到最低温度时而还能保持最低的能量状态。 在这种情况下，电场和磁场没有必要去保持晶体的形状以及粒子自旋的问题，其结果便是形成“时间晶体”，或则是一个事实上的“时间晶体”，因为离子环不仅可以在时间中进行周期性的重复运作，也可以在时间保持类似的特性。根据理论物理学家弗兰克·维尔切克介绍：“这是一个令人兴奋的设计思路，如果拥有了一些实验条件，似乎可以将其付诸现实，打造‘时间晶体’的困难在于环境温度需要接近绝对零度。” 加州大学伯克利分校的研究小组成员张翔（Xiang Zhang）认为：实验的主要挑战是体系的冷却温度需将离子环处于应有的状态上，但随着离子阱技术的不断提高，可能会在不远的将来实现。此外，理论物理学家弗兰克·维尔切克提到处于工作状态的“时间晶体”可以打造成一台计算机，通过对不同旋转状态的控制，使其处于如0和1两种状态的二进制计数模式。 实现这样的超级机器可能需要重新拟定该体系的组成，比如我们需要获得不同类型的离子，也可能需要若干个晶体环进行相互干扰。弗兰克·维尔切克认为：从以上几点可以试想下按这些规则进行运行的“时间晶体”机器。 然而，在不久的将来应该还不会出现“时间晶体”计算机。弗兰克·维尔切克指出我们原则上所认为的宇宙热寂是充满黑暗和寒冷的时期，因此进行该实验模拟还需要考虑其他问题。根据加州大学伯克利分校李（Tongcang Li）教授介绍：我们现在将焦点集中在实验室中如何创建“时空晶体”，因此需要找出一种方法，使得它们可以在宇宙热寂后继续存在下去