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物理學所發現的最酷的東西之一—時間晶體,如何應用它?


老胡說科學聽起來就像直接從科幻電影里出來的,對吧?然而,信不信由你,時間水晶是現實。時間水晶的故事是一個美麗的例子,說明當不同的思想鏈融合在...

- 2019年6月14日16時33分
- 科學文摘 / 老胡說科學

老胡說科學

聽起來就像直接從科幻電影里出來的,對吧?

然而,信不信由你,時間水晶是現實。時間水晶的故事是一個美麗的例子,說明當不同的思想鏈融合在一起,結合思想和理論,修改法律和基本原理,而不局限於他們的原始/以前的理解時,進步是如何經常發生的。

如果你打算繼續這篇文章,讓我先說……這不是一個童話或科幻小說。在結尾處不會有魔法師的時間旅行之門配方。這篇文章討論的是一個相當複雜和微妙的理解人類的智力和卓越的物理理解領域的物質。


首先,我們來看看這兩種截然不同的晶體。與基於化學結合、晶格和構型的分離不同,我們選擇量子區分。

空間晶體

這只是一個相當無聊的名字「正常晶體」。

雪花、鑽石、紅寶石、蛋白石、玉石、藍寶石、珍珠,甚至普通的食鹽都是這些正常晶體的例子。你可能還有100多顆寶石和半寶石的名字,你可以把它們添加到這個列表中。大自然是地球上最原始、最偉大的藝術家,是創造複雜而輝煌的實體的神奇創造者。


這些晶體可能由於其半透明的色調或光芒而特別具有吸引力,但它們的真正價值只能在顯微鏡下觀察到。晶體固體是由相鄰原子、離子或分子的複雜的幾何定向結構組成的。這是一種被稱為晶格的微觀結構的高度有序組合。這些結構在各個方向周期性地重複和擴展,不隨時間而變化,因此保持平衡狀態,因此得名。

時間晶體

時間晶體可以被認為是物理學所發現的最酷的東西之一。它們是通往一個全新的「非平衡」階段世界的大門,而這一階段與研究人員過去所研究的任何階段都截然不同。

如果你的時間表丟失了記憶——不像普通的空間/普通的晶體,在空間中原子或分子有規律的重複排列,時間晶體是,正如人們所期望的,原子或分子的排列在時間上形成有規律的、重複的模式。它們將在一種配置中停留一段時間,然後切換到另一種配置中,在無窮循環中來回切換。

這意味著什麼?

物理定律圍繞著對稱性;無論環境如何,行動的瞬間都會產生平等的反應。這是牛頓物理學的基本原理,是支配我們如何感知宇宙的基本定律。

科學家們想知道分子是否能打破傳統的時間轉換對稱性,這種對稱性控制著創造晶體的法則。普通晶體,如石英和食鹽,是三維結構的晶體。它們的原子/分子排列在一個可預測的周期系統中。

另一方面,時間晶體在原子水平上是不同的。它們的原子周期性地旋轉,隨著脈動力的翻轉而改變方向,就像古老的落地鍾一樣。

一種不同尋常的物質

時間晶體可以看作是不斷變化的量子粒子的集合,永遠不會達到穩定狀態。這樣的系統從隨機的相互作用中獲得穩定性,而隨機的相互作用通常會破壞其他種類的物質。

已知的物理定律平等而對稱地適用於空間和時間中的所有點。然而,某些系統違反了這種對稱性。在磁鐵中,原子的自旋是排成一行的,而不是含糊地指向各個方向。同樣,在礦物晶體中,原子在空間中占據特定的位置,但經過輕微的震動後,晶體可能不再保持空間的對稱性。當一種轉變導致結構性質發生變化時,物理學家稱之為對稱性斷裂,在我們不那麼完美的自然世界裡,對稱性無處不在。


有趣的是,時間晶體是正在進行的研究的理想候選,並且比你想像的有更多的潛力!

在現實世界中的應用前景

現在,你可能想知道時間晶體是什麼樣子的;它真的存在於我們的時空中,還是只是一個假設的實體,太有希望而不能被否定?

首先,要了解時間晶體最重要的一點是,它們只存在於有限的情況下,尤其是當受到一個輕推時,它可以使它們的振蕩運動起來。

一旦被推入振蕩狀態,時間晶體似乎就會無限期地混響。晶體中的這種狀態確實已經實現了。哈佛大學的一組研究人員曾經製造出一種晶體,這種晶體在被激活後會因為周期性的能量反射而發光。很快,摩擦開始起作用,並通過以熱的形式損失能量來阻礙混響,這就是時間晶體的終結。

人們相信,研究這些時間晶體並深入了解它們,將會在原子鐘、陀螺儀和磁力儀的精確度上取得突破,並幫助我們建立更好的量子技術,這些技術可以應用到我們的實際生活中。這將使我們能夠在遠高於我們目前所達到的工作溫度下使用穩定的量子系統。這可能是我們使量子計算成為現實所需要的最後推動力,而量子計算對我們世界的技術進步具有巨大的重要性。

結論

時間晶體的發現是一個簡單而又出乎意料的想法,它提出了一些根本性的問題,即它們是如何形成的,以及在我們可觀測的空間中,隨著時間的推移,它們可能占據物質的哪些階段。宇宙中物質相的深度和豐富性,顯然比我們迄今所了解的更為重要。

時間水晶毫無疑問地指出了一件事;我們需要徹底重新評估一些現有的理論和對物質階段的理解,即那些存在於我們可觀測領域之外的理論和理解。時間晶體的一些潛在應用可能比它們的名字所暗示的還要科幻。如果你認為時間晶體只是一個理論化的假想實體,請允許我指出,量子物理學和牛頓物理學一樣重要,即使在量子層面上感知物體無疑更具挑戰性!


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