| cyqdesign |
2012-09-26 11:44 |
科學(xué)家設(shè)計(jì)4維時(shí)空晶體可制造永遠(yuǎn)精確的鐘
據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)道，想象一只可以永遠(yuǎn)保持走時(shí)精確無(wú)誤的鐘，即便是在宇宙達(dá)到熱寂之后也是如此。這就是一種被稱作“時(shí)空晶體”的裝置背后的意義，這是一種4維晶體，在時(shí)空中擁有一種周期性結(jié)構(gòu)。 Tzn tO9P+
u_ '!_T L
然而，這其中也存在著實(shí)際和重要的科學(xué)理由去構(gòu)建一個(gè)時(shí)空晶體：有了這種4維晶體，科學(xué)家們將擁有一種全新的，更加有效的手段對(duì)復(fù)雜的物理屬性和大 量粒子的復(fù)雜相互作用行為進(jìn)行研究，或者是研究物理學(xué)中所謂的“多體問(wèn)題”。這種時(shí)空晶體同樣可以被用來(lái)對(duì)量子世界進(jìn)行研究，如量子糾纏現(xiàn)象，在這種狀態(tài)中，當(dāng)對(duì)其中一個(gè)粒子進(jìn)行操作時(shí)，另外一個(gè)粒子也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，即便這兩個(gè)粒子之間隔開(kāi)著巨大的距離。 #~=hn8
DZv=\<$,LF
[attachment=44435] LK;k'IJ
這一設(shè)想中的時(shí)空晶體(a)顯示在時(shí)間和空間維度中的周期性構(gòu)造，而超冷狀態(tài)下的離子不斷在一維空間里發(fā)生自旋(b)，即便是處于最低能量級(jí)也是如此 4mHvgnT!WA
`d[1`P1i[
然 而這種時(shí)空晶體長(zhǎng)期以來(lái)都僅僅存在于理論物理學(xué)家們的頭腦中，卻并沒(méi)有任何嚴(yán)肅的有關(guān)如何將其實(shí)際制造出來(lái)的手段——直到現(xiàn)在。一個(gè)由美國(guó)能源部勞倫斯- 伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員們領(lǐng)銜的國(guó)際科學(xué)家小組近期提出了一種時(shí)間晶體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，該方案是基于電場(chǎng)離子阱和粒子之間的庫(kù)倫斥力構(gòu)建的。 $ KRI'4
h^* 4}GU
伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)分部研究科學(xué)家張翔(音譯：Xiang Zhang)說(shuō)：“離子阱的電場(chǎng)將帶電粒子固定住，而庫(kù)倫斥力讓它們自發(fā)地形成一個(gè)空間環(huán)狀晶體。在一個(gè)微弱的靜態(tài)磁場(chǎng)作用下，這一環(huán)狀離子晶體將開(kāi)始用無(wú)止境的轉(zhuǎn)動(dòng)。” !Yw3 d
;]w<&C!=
這 一被固定住的離子將會(huì)產(chǎn)生時(shí)間序列，從而讓一個(gè)時(shí)空晶體在最低的量子態(tài)上形成�！坝捎谶@一時(shí)空晶體已經(jīng)位于最低量子能態(tài)，其時(shí)間序列，從理論上說(shuō)將會(huì)永遠(yuǎn) 持續(xù)，即便是當(dāng)宇宙達(dá)到熵的極大值，也就是達(dá)到‘熱寂’狀態(tài)時(shí)，情況也是一樣。”張翔是美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校機(jī)械工程系教授，他還負(fù)責(zé)該校納米尺度科學(xué) 與工程中心的工作。他是這項(xiàng)工作的論文通訊作者，論文標(biāo)題是《離子阱時(shí)空晶體》，該文章發(fā)表在物理評(píng)論快報(bào)(PRL)上。 7 As|Ns`
3 HIz9F(
有關(guān)這種在時(shí)間中 擁有不連續(xù)序列的晶體概念是在今年年初由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家弗蘭克·維爾澤克(Frank Wilczek)提出的。維爾澤克從數(shù)學(xué)上證明了時(shí)間晶體可以存在，然而至于如何實(shí)際地將它制造出來(lái)則沒(méi)有給出方法。然而張翔的研究團(tuán)隊(duì)自從2011年9 月份以來(lái)便一直致力于不同系統(tǒng)中時(shí)間序列的研究，現(xiàn)在他們提出了一種實(shí)驗(yàn)性的設(shè)計(jì)方案，旨在制造出一種在時(shí)間和空間中都呈現(xiàn)離散性質(zhì)的晶體，也就是一種時(shí) 空晶體。 3` #6ACF
,i0 b)=!o
傳統(tǒng)的晶體是三維的固體結(jié)構(gòu)，它們由原子或分子相互重復(fù)地連接在一起。比較常見(jiàn)的案例是水冰，鹽以及雪花。結(jié)晶是當(dāng)一個(gè)分子系統(tǒng)失 去能量，直到其達(dá)到較低的能量態(tài)時(shí)呈現(xiàn)的結(jié)果。在低能態(tài)的某個(gè)點(diǎn)上，連續(xù)的空間對(duì)稱將會(huì)被打破，此時(shí)晶體顯示離散的對(duì)稱性，也就意味著其結(jié)果不再在各個(gè)方 向上對(duì)稱，而僅僅在局部方向上保持對(duì)稱。李彤昌(音譯：Tongcang Li)是張翔研究團(tuán)隊(duì)的成員，博士后研究員，他說(shuō)：“在過(guò)去的數(shù)十年間，在低維度晶體材料的研究方面取得了重大進(jìn)展，如二維石墨烯，一維的納米碳管，還有 零維的巴基球。而設(shè)計(jì)一種超越傳統(tǒng)3維的晶體是物理學(xué)中的一項(xiàng)重要理論突破，我們很榮幸能成為首個(gè)提出如何去實(shí)際制造出一個(gè)時(shí)空晶體的研究團(tuán)隊(duì)�！� A^RR@D
\2(SB
正 如當(dāng)連續(xù)的空間對(duì)稱對(duì)打破之后3維晶體將會(huì)以最低量子能態(tài)形式呈現(xiàn)一樣，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，時(shí)空晶體的時(shí)間組成也將呈現(xiàn)類似的反應(yīng)。根據(jù)張翔，李彤昌以及 團(tuán)隊(duì)中其他同事們的設(shè)計(jì)，這一由被捕獲的離子構(gòu)成的空間環(huán)狀體呈現(xiàn)的永久性自旋會(huì)導(dǎo)致其周期性地在時(shí)間中復(fù)制自身，從而形成一個(gè)以普通空間晶體形式呈現(xiàn) 的，對(duì)原時(shí)空晶體的時(shí)間模擬體。由于其在時(shí)間和空間兩方面中都擁有周期性構(gòu)造，我們得到的是一個(gè)時(shí)空晶體。李彤昌表示：“時(shí)空晶體看起來(lái)就像一個(gè)永動(dòng)機(jī)， 乍一看似乎不太可能。”他說(shuō)：“你必須牢記，即便是一個(gè)超導(dǎo)體，甚至一個(gè)普通的金屬環(huán)，只要位于合適的環(huán)境條件下，當(dāng)其呈現(xiàn)量子基態(tài)時(shí)它都可以支持持續(xù)的 電子流。不過(guò)當(dāng)然了，金屬中的電子流缺乏空間序列，因此不能被用來(lái)構(gòu)建時(shí)空晶體�！� js8{]04y
}?@rO`:EF+
李彤昌很快便指出他們所研制的時(shí)空晶體并非永動(dòng)機(jī)，因?yàn)?當(dāng)位于最低量子能級(jí)時(shí)，系統(tǒng)并不輸出能量。然而在很多科學(xué)研究中，這種時(shí)空晶體都將是極其寶貴的。李彤昌表示：“時(shí)空晶體本身就是一個(gè)多體問(wèn)題。因此，它 可以被作為研究傳統(tǒng)物理學(xué)多體問(wèn)題的新手段。舉例而言，時(shí)空晶體是如何出現(xiàn)的？對(duì)稱破缺的時(shí)間反應(yīng)是什么？時(shí)空晶體中的假粒子是什么？時(shí)空晶體中的誤差效 應(yīng)的影響如何？對(duì)這些問(wèn)題的探究將極大地推進(jìn)我們對(duì)于自然界的理解。”
| |