科学家:「时间晶体」有可能存在。(网路图片)

时间晶体究竟只是一种数学上的假设、还是真的存在呢?自打诺贝尔得主弗朗克·韦尔切克(Frank Wilczek)于2012年首次提出时间晶体这一概念以来,物理学家就一直在这个问题上争论不休。

韦尔切克称,这些假想中的晶体可以呈现出周期性的运动状态,如在低能量状态(又称基态)下沿著环形轨道运动等。而从理论上来说,处于基态的物体所具备的能量是根本不够让其运动起来的。

在他提出该理念之后的几年中,其他物理学家纷纷给出了时间晶体不可能存在的理由,大多数物理学家似乎认为,由于时间晶体的性质太过古怪,因此不可能存在于实际当中。虽然时间晶体无法用来产生有用的能量(因为它们一旦受到扰动,就会停止运行),而且并不违背热力学第二定律,但它们的确与物理学中一项基础的对称性相悖。

不过,来自加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)和微软Station Q实验室的研究人员在一篇最新发表的论文中提出,时间晶体有可能真正存在。

他们主要关注的是时间晶体最令人惊奇的一点——有人预测称,时间晶体能够实现时间平移对称性的自发性破缺。为了帮助我们理解这句话的含义,研究人员首先解释了「自发对称性破缺」的意思。

「显性对称性破缺(explicit symmetry breaking)和自发对称性破缺(spontaneous symmetry breaking)之间最大的区别在于,」UCSB的一名物理学家、该研究的共同作者多米尼加国·埃尔斯(Dominic Else)说道,「如果对称性出现了显性破缺,那么自然法则中就不再含有这一对称性了;但自发对称性破缺则意味著,自然法则仍保留著原本的对称性,但自然却选择了另一种不具备对称性的状态。」

如果时间晶体真的能自发地打破时间平移对称性的话,那么管控时间晶体的自然法则就不会随著时间的流逝而改变,但由于时间晶体的基态运动状态,时间晶体本身是会随著时间而发生变化的,也就自发地打破了这种对称性。

虽然人们此前从未观察到过时间上的平移对称性的自发破缺,但除此之外,其它各类自发对称性破缺都曾被观察到过。磁铁就是一个常见的例子。自然法则无法强制决定磁铁的哪一头是北极、哪一头是南极。但任何磁铁材料都自发地打破了这种对称性,选定其中一头作为北极。另一个例子则是普通的晶体。虽然无论是在旋转还是平移的空间中,自然法则都不会发生改变,但晶体会自发地打破这些空间对称性,因为如果改变了观察角度、或者在空间中的位置发生了些许变化,晶体看上去都会有所不同。

在这项最新研究中,物理学家专门规定了时间平移对称性发生自发性破缺的条件,然后通过模拟,预测出这一对称性破缺将会发生在一类名为「弗洛凯多体局部驱动系统」(Floquet-many-body-localized driven systems)的量子系统中。科学家解释,这些系统的关键特征是,它们永远都不会达到热平衡状态,因此温度永远都不会升高。

对时间平移对称性破缺的最新定义与其它对称性破缺十分相似。基本上来说,随著一个系统(比如晶体)的体积增大,从对称性破缺状态回归对称状态的时间也会相应延长。而无穷大系统则永远也无法到达对称状态,因此,整个系统的对称性都处于破缺状态。

「我们的工作有两大意义。从一方面来看,它说明了时间的平移对称性也是可以出现自发性破缺的。」微软Station Q实验室的一名研究人员、共同作者贝拉·鲍尔(Bela Bauer)表示,「从另一方面来看,它让我们进一步了解到,非均衡系统中可以出现很多有趣的物质状态,而这些状态在均衡系统中是不存在的。」

据物理学家表示,我们应该可以通过实验观察到时间平移对称性破缺。这需要利用一套由受限原子、受限离子、或超导量子比特构成的大型系统,打造出一块时间晶体,然后观察随著时间的流逝、这些系统会发生怎样的变化。科学家预测称,这些系统将会呈现出周期性的振荡运动状态,这正是时间晶体的标志性特征之一,并且印证了时间平移对称性破缺的存在。

「我们正在和实验研究组共同努力,一起探索在低温原子气体系统中实现弗洛凯时间晶体的可能性。」此次研究的共同作者舍坦·纳亚克(Chetan Nayak)说道。

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