时间晶体,把爱保存到宇宙尽头之后

  科技

谨以此文献给我的妻子。

“生生世世,不离不弃,直到地老天荒,直到宇宙尽头……”当我们面对美妙的爱情时,总会发出上述誓言。尽管誓言铿锵,可总会留下一个否定和阴暗的结尾,比如宇宙的尽头和地老天荒什么的。在我们的潜意识中,再美好的感情,再美妙的关系,总有结束的那天,因为没有人能够敌过死亡。就算是宇宙,也可能会有热寂的那一天。如果我们的宇宙不断膨胀,终究有一天,它将会冷却到绝对零度附近,我们再也无法获取维持生存所需的基本能量。因此,一旦我们发誓维系某段感情到地老天荒时,潜意识中已经把这作为最极端的誓言了。

现在,我要介绍一种新的物质,利用它制造出的时光胶囊,可以使我们即使到了宇宙的尽头,即使所有的生命,包括我们自己都死亡了、枯寂了的时候,仍旧能够保存我们那些最珍贵的回忆。拥有这样的时光胶囊,即使地老天荒,我们留下的回忆仍旧鲜活。

 

什么是时间晶体?

从左到右分别为冰晶、水晶、钻石。

从左到右分别为冰晶、水晶、钻石。

要理解这种全新的物质,让我们从最常见的晶体材料说起。在我们的生活中,有很多天然具有规则形状的物质,比如说六角形的雪花,晶莹剔透的水晶,璀璨夺目的钻石。这些固体物质就是我们常说的晶体。我们都知道,随着温度的不同,水具有气态、液态、固态三种不同的形态。之所以有这么大的区别,是因为随着温度的降低,水分子的运动越来越慢,在冰点之下就自发地凝结起来了,形成了周期性的有序结构。水分子按照一定的空间周期等间距地排列起来,所形成的冰自然无法随意形变也无法流动。

爱因斯坦告诉我们,世界是四维的,除了三维的空间之外,还有一个维度就是时间。既然我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的晶体,是不是也存在着在时间上结晶的晶体呢?这应该是一个很自然的设问。不过直到诺贝尔物理奖获得者维尔切克(Wilczek)之前,还没有人提出这个设问并给出答案。

维尔切克接受记者采访时说,他最初是在上晶体这个课程时想到了时间晶体这个概念的。如果与空间晶体类比,那么时间晶体就可以定义为在时间轴上 自发 地周期性变化的一类物质。在时间轴上周期性变化的事物我们也见过很多,比如说我们戴的手表。但所有这些事物的运动都不是自发的,需要外界输入能量才能维持其运动。机械表我们隔几天要上发条,电子表过上一年半载我们要换电池,绕太阳旋转的地球越转越慢。因为对这些系统来说,运动的能量总是比静止时要高。所以总会发生能量耗散,最终系统停止在能量最低的状态。而维尔切克发现,对一类特殊的系统,旋转时的能量比静止时还要低,那么这种系统最终总会耗散到不断旋转的状态。这被称为时间上的自发对称性破缺。

 

如何实现时间晶体?

纳米金属环中的持续电流。

纳米金属环中的持续电流。

有关持续运动的系统,人们已经找到了一些实例。比如对于一个很小的超导体金属环来说,如果我们给它加上磁场,那么环中就会出现持续不断的电流。对这个系统,电子的流动时是能量最低的状态,它将永远地流动下去。这个例子似乎并不让人吃惊。可如果金属环的尺度非常微小,我们将不得不用量子力学来分析它。我们发现,即使金属环有电阻,在低温下给金属环通上磁场,里面也会出现从不衰减的电流。从某种程度而言,这已经很接近时间晶体了。但是时间晶体的物质密度在时间上存在周期性变化,而有持续电流的金属环中并没有出现电子密度随时间的周期性变化。

为了实现真正的时间晶体,维尔切克设计了一种目前还不存在的带电材料,它可以由非线性的薛定谔方程来描述,其基态解是一种孤立子。在磁场下,孤立子能量最低的状态将不再是静止的,而是以一定的角速度旋转的状态。与持续电流不同,孤立子旋转起来时,在圆环上会出现物质密度的周期性变化,也就是说出现了真正的时间晶体。

时光胶囊,让美好的回忆永存

对于时间晶体,我们还有另外一种称呼:“永远运动的系统”。这并不意味着它能像永动机那样无中生有地不断提供能量。时间晶体的的运动是不需要外部能量输入的,同时它也不能向外输出能量而不改变自身运动状态。如果我们把空间晶体和时间晶体的概念综合起来,那么实际上就存在一种特殊的物质,可以同时在四维时空中结晶,形成所谓的时间-空间晶体。

和“海洋之心”一样,时间晶体穿越时间铭刻爱情。

和“海洋之心”一样,时间晶体穿越时间铭刻爱情。

时空晶体最酷的一点就是它能在绝对零度附近保持运动。因此维尔切克设想未来有一天,随着技术的高度发展,我们可以对时空晶体进行编程,设计出复杂的周期运动回路,代表不同的比特,以及比特间的运算,然后把我们的人脑意识上传到这个时空晶体中。这种携带了人脑意识的时间晶体可以称之为时光胶囊。与通常意义上的计算机不同,它并没有输出,只能周而复始地重复我们预先编制好的程序。我们可以把自己一生中最美好最难忘的回忆和感受存在其中,不断重演那些最美妙的瞬间。拥有了这样的时光胶囊,即使地老天荒,即使宇宙热寂,我们那些美妙的情感仍旧永存。把爱保留到宇宙尽头之后,也许会是我们研究制造时间晶体最浪漫的动机。

 

相关资料:

[1]Alfred Shapere and Frank Wilczek, Classic time crystals, arXiv:1202.2537.

[2]Frank Wilczek, Quantum time crystals, arXiv:1202.2539.

 

本文作者尹璋琦将登上 【万有青年烩】之“吃货的自我修养” ,讲述你我都逃不开的量子江湖,欢迎报名围观。

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