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时间晶体 摘要 时间晶体是最近刚提出来的概念,现在仍然停留在理论假设方面,还没有在实验室做出来,因而可以算是今后的研究热点之一。本文首先介绍了时间晶体的概念,以及它的提出背景,接着介绍了时间晶体的设计方案,时间晶体的实现方法,介绍了有趣的时间胶囊。重点说了一下时间晶体的应用,量子计算机算是一个比较主要的应用方向,最后对时间晶体的应用做了展望。 时间晶体概述 所谓的“时间晶体”是指一种在第四维空间(即时间)也存在周期性重复运行的结构。研究人员认为,这种神奇的结构类似于永动机,处于一种永动状态,但并不违背能量守恒定律。 传统的晶体是三维的固体结构,它们由原子或分子相互重复地连接在一起。比较常见的案例是水冰,盐以及雪花。结晶是当一个分子系统失去能量,直到其达到较低的能量态时呈现的结果。在低能态的某个点上,连续的空间对称将会被打破,此时晶体显示离散的对称性,也就意味着其结果不再在各个方向上对称,而仅仅在局部方向上保持对称。正如当连续的空间对称对打破之后3维晶体将会以最低量子能态形式呈现一样,当这种情况发生时,时空晶体的时间组成也将呈现类似的反应。 这些物质原子整齐地排列,在三维空间上呈周期性重复的图案,让它们形成了非常美丽的外观。这些三维空间的晶体在科技领域也是重要的研究和应用材料。诺贝尔物理学奖得主弗朗克·韦尔切克在这项重要研究中认为,自然界可能也存在第四维空间的晶体,即“时间晶体”,也就是在第四维呈周期性重复运动的结构。 时间晶体理论基础 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。 时间晶体的存在形式 科学家推测时间晶体可能已经存在于自然界中,或很快将通过工程手段人工合成,而且可能存在多种类型的时间晶体。最简单的实现形式就是,某种系统,它的几何学特征让它能够做环形运动,一定时间后又回到原来的位置。某种更复杂的结构,可能就是一组原子,它们在三维空间中做无规律自由运动,但是它们都会周期性地回到自己的始发点。 时间晶体的特点 1、时间晶体的运动应该不消耗任何能量,相反,它应该处于一种稳定的最小能量状态,就像钻石和其他传统的晶体一样。即使这样,它仍然是处于一种永动状态。 2、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,能量有自己最小化配置,但是物体中原子的运动速率并非为零。 时间晶体的设想方案 2012年7月,美国加州大学伯克利分校的李统藏博士以及他来自密歇根大学和清华大学的同事们提出了设计“时间晶体”的新方案。 首先,需要一个离子阱,这是一种利用电场来将某一带电粒子固定在某一位置上的装置。这样做将可以让这些离子形成一个环状的晶体,这是因为当离子在极低温度条件下被捕获时,它们会相互排斥。随后科学家施加一个微弱的静磁场,它将驱动电子自旋。 量子力学指出,离子的自旋能量必须大于0,即便是在这个电子环已经被冷冻至最低能级的情况下也是如此。在这种状态下,已经不需要电场和磁场来帮助维持这一晶体的形状以及组成它的各个离子的自旋。这样做的结果就是获得一个时间晶体,或者更准确的说是一个时空晶体,因为这个离子环不但在时间上,在空间上也是不断重复着自身。 研究人员从理论上推理认为,这种时间晶体可以被用作计算机,它可以用不同的自旋状态当做传统计算法中的0和1。利用该系统方案,这一设想将是可能的。 该方案是基于电场离子阱和粒子之间的库伦斥力构建的。离子阱的电场将带电粒子固定住,而库伦斥力让它们自发地形成一个空间环状晶体。在一个微弱的静态磁场作用下,这一环状离子晶体将开始用无止境的转动。由于这一时空晶体已经位于最低量子能态,其时间序列,从理论上说将会永远持续,即便是当宇宙达到熵的极大值,也就是达到“热寂”状态时,情况也是一样。

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