科學也可以如此靠近

時間晶體—一種特殊形式的「永動機」

6月
06
2019

2019年6月06日19時 老胡說科學

老胡說科學

物理學家計劃在稱為離子阱的設備內創建一個「時間晶體」 - 一種在不使用能量的情況下以重複模式移動的理論對象。

諾貝爾獎得主、物理學家弗蘭克·威爾切克決定公開一個奇怪的、令他擔心的、有點尷尬的想法。儘管看起來不可能,但威爾切克已經提出出一個「時間晶體」的明顯證據。「時間晶體」是一種重複運動的物理結構,就像鐘錶上的分針一樣,既不消耗能量,也不會停止轉動。與時鐘或任何其他已知物體不同,時間晶體的運動不是來自於儲存的能量,而是來自於時間對稱性的打破,從而實現了一種特殊形式的永動機。

麻省理工學院教授威爾切克表示:「物理學的大多數研究都是對前人研究成果的延續。」他說,這「有點超出常規」。

威爾切克的想法得到了物理學家們的低調回應。他是一位傑出的教授,以發展奇異理論而聞名,包括被稱為軸子和任意子的粒子的存在,以及發現了核力的一種被稱為漸近自由的性質。但是「永動機「,被物理學的基本定律認為是不可能的,是難以接受的。這項工作是一個重大突破還是邏輯錯誤?波蘭亞吉隆尼亞大學物理學教授、原子光學系主任雅庫布·扎克澤夫斯基在威爾切克發表論文的同時,就這項研究撰寫了一篇觀點文章。他說:「我就是不知道。」

現在,一項技術的進步使物理學家有可能測試這個想法。他們計劃建造一個時間晶體,並不是希望這個永久移動設備能產生無窮無盡的能量(一千多年來,發明家一直在徒勞地努力),而是希望它能產生一個更好的時間理論。

一個瘋狂的概念

這個想法是威爾切克在2010年準備一次課堂演講時想到的。「我在考慮晶體的分類,然後我突然想到,把空間和時間放在一起考慮是很自然的,」他說。「所以,如果你考慮空間中的晶體,考慮晶體行為在時間上的分類也是很自然的。」

當物質結晶時,它的原子自發地組織成三維晶格的行、列和棧。一個原子占據了每一個「晶格點」,但是原子之間的力量平衡阻止它們占據晶格點之間的空間。由於原子突然有了一組離散的、而不是連續的選擇,晶體被認為打破了自然的空間對稱性——通常的規則是空間中的所有地方都是相等的。但是自然的時間對稱性又如何呢?

諾貝爾獎得主、物理學家弗蘭克·威爾切克經常提出一些古怪的理論,最終進入主流。「當然,並非我做的每件事都奏效,」他說。

威爾切克考慮了好幾個月。最終,他的方程表明,原子確實可以在時間上形成一個有規律重複的晶格,只有在離散(而非連續)間隔之後才會回到它們最初的排列,從而打破時間對稱性。如果不消耗或產生能量,時間晶體將是穩定的,處於物理學家所說的「基態」,儘管在結構上有周期性的變化,科學家稱這種變化可以解釋為永動機。

「對於物理學家來說,考慮一個依賴於時間的基態確實是一個瘋狂的概念,」加州大學伯克利分校量子物理學家哈特穆特哈夫納說。基態的定義是能量為零。但是如果狀態是隨時間變化的,這就意味著能量在變化。有東西在移動。」

一個東西怎麼能在不消耗能量的情況下永遠運動呢?這似乎是一個荒謬的想法,是對公認物理定律的重大突破。但威爾切克關於量子和古典時間晶體的論文(後者由肯塔基大學的阿爾弗雷德·沙皮爾通過了一個專家評審團的評審,並於2012年10月發表在《物理評論快報》上。威爾切克並沒有聲稱他知道自然界中是否存在打破時間對稱性的物體,但他想讓實驗主義者嘗試製造一種。

他說:「這就像你畫目標,然後等著箭來射。」「如果實現這種行為沒有邏輯障礙,那麼我希望它會實現。」

獲得諾貝爾獎的物理學家Frank Wilczek經常發展出最終進入主流的古怪理論。「當然不是我所做的一切都有效,」他說。

大考驗

由伯克利納米工程師張翔和張翔團隊的物理學家、博士後李桐倉領導的一組物理學家提出,以帶電原子(或離子)的持續旋轉環的形式,創造出一種時間晶體。(李說,在閱讀威爾切克的論文之前,他一直在考慮這個想法。)該小組的文章與威爾切克的文章一起發表在《物理評論快報》上。

從那時起,一位批評家—法國歐洲同步加速器輻射設施的理論物理學家派屈克·布魯諾——對學術文獻發表了異議。布魯諾認為,威爾切克和他的公司錯誤地識別了處於激發態的物體的時間依賴行為,而不是它們的基態。能量過剩的物體以循環的方式運動,隨著能量的耗散運動衰減,這並不奇怪。要成為時間晶體,物體必須在基態中表現出永久運動。

布魯諾證明,在威爾切克作為量子時間晶體的一個假設例子所提出的模型系統中,較低的能量狀態是可能的。威爾切克說,雖然這個例子不是一個時間晶體,但他不認為這個錯誤「對基本概念提出了質疑」。

「我證明了這個例子是不正確的,」布魯諾說。「但我沒有一般的證據——至少到目前為止沒有。」

這場辯論很可能不會在理論上得到解決。「球真的在我們非常聰明的實驗同事手中,」Zakrzewski說。

由伯克利大學科學家領導的一個國際團隊正在準備一項精細的實驗室實驗,儘管根據資金或不可預見的技術困難,完成這項實驗可能需要「3到無窮大年」,與張合作的首席研究員哈夫納說。人們希望時間晶體能將物理學推到量子力學精確但似乎不完美的定律之外,並為更偉大的理論開闢道路。

李說:「我很有興趣看看我是否能追隨愛因斯坦做出新的貢獻。」「他說量子力學還不完整。」

構建離子環

在愛因斯坦的廣義相對論(控制引力和宇宙的大規模結構的法律體系)中,時間和空間的維度被編織在同一個結構中,稱為時空。但是在量子力學(控制亞原子尺度相互作用的規律)中,時間維度的表現形式與空間的三個維度不同。「令人不安,美學上令人不愉快的不對稱」,Zakrzewski說。

加州大學伯克利分校計劃進行的時間晶體實驗的說明。電場將被用來將鈣離子聚集到一個100微米寬的「陷阱」中,在那裡它們將形成一個晶體環。科學家們認為,靜磁場會導致土星環旋轉。

時間的不同處理可能是廣義相對論和量子力學之間不相容的一個來源,其中至少有一個必須改變,因為有一個包羅萬象的量子引力理論(被廣泛視為理論物理學的一個主要目標)。哪個時間概念是對的?

如果時間晶體能夠以與傳統晶體破壞空間對稱性相同的方式打破時間對稱性,「它告訴你,在自然界中這兩個量似乎具有相似的性質,並且最終應該在理論中反映出來,」Hffner說。這表明量子力學是不充分的,並且更好的量子理論可能將時間和空間視為同一結構的兩個線程。

伯克利領導的團隊將嘗試通過將100個鈣離子注入由電極包圍的小室中來製造時間晶體。由電極產生的電場將離子置於100微米寬的「陷阱」中,或大致是人發的寬度。科學家們必須精確校準電極以平滑磁場。因為相同的電荷排斥,離子將在陷阱的外邊緣周圍均勻地自我隔開,形成結晶環。

首先,離子將在激髮狀態下振動,但是像DVD播放器中發現的二極體雷射器將用於逐漸散去其額外的動能。根據該組的計算,當離子被雷射冷卻到絕對零度以上的十億分之一左右時,離子環應該穩定在基態。從捕集電極發出的背景熱量長期以來阻礙了這種溫度狀態的進入,但一種用於清除電極表面污染物的突破性技術使離子阱背景熱量減少了100倍。「這正是我們需要實現這一實驗的因素。」。

接下來,研究人員將開啟陷阱中的靜磁場,他們的理論認為這應該誘導離子開始旋轉(並繼續無限期地這樣做)。如果一切按計劃進行,離子將以固定的間隔循環到它們的起始點,在時間上形成規則重複的晶格,從而破壞時間對稱性。

為了觀察環的旋轉,科學家們將使用雷射切割其中一個離子,通過將其置於與其他99個離子不同的電子狀態來有效地對其進行標記。當其他人被第二個雷射器變暗時,它將保持明亮(並顯示其新位置)。

如果明亮的離子以穩定的速率環繞環,那麼科學家們將首次證明,時間的平移對稱性可以被打破。「這將真正挑戰我們的理解,」李說。「但首先我們需要證明它確實存在。」

在此之前,一些物理學家將繼續深表懷疑。「我個人認為不可能在基態檢測運動,」布魯諾說。「他們可能能夠在一個環形陷阱中製造一圈離子,並用它做一些有趣的物理學,但他們不會看到他們聲稱的那些永不停息的時鐘。」


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