科學家稱時空晶體有可能真正存在

畫家構思的時空晶體
時空晶體(Space-time crystal)究竟只是一種數學上的假設、還是真的存在呢?自打諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克(Frank Wilczek )於2012年首次提出時空晶體這一個概念以來,物理學家就一直在這個問題上爭論不休。韋爾切克稱,這些假想中的晶體可以呈現出週期性的運動狀態,如在低能量狀態(又稱基態)下沿著環形軌道運動等。而從理論上來說,處於基態的物體所具備的能量是根本不夠讓其運動起來的。

在他提出該理念之後的幾年中,其他物理學家紛紛給出了時空晶體不可能存在的理由,大多數物理學家似乎認為,由於時空晶體的性質太過古怪,因此不可能存在於實際當中。雖然時空晶體無法用來產生有用的能量(因為它們一旦受到擾動,就會停止運行),而且並不違背熱力學第二定律,但它們的確與物理學中一項基礎的對稱性相悖。

不過,來自加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara,簡稱 UCSB)和微軟Station Q實驗室的研究人員在一篇最新發表的論文中提出,時空晶體有可能真正存在。

在這項最新研究中,物理學家專門規定了時空平移對稱性發生自發性破缺的條件,然後通過模擬,預測出這一對稱性破缺(symmetry breaking)將會發生在一類名為弗洛凱多體局部驅動系統(Floquet-many-body-localized driven systems)的量子系統中。科學家解釋,這些系統的關鍵特徵是,它們永遠都不會達到熱平衡狀態,因此溫度永遠都不會升高。對時空平移對稱性破缺的最新定義與其它對稱性破缺十分相似。基本上來說,隨著一個系統(比如晶體)的體積增大,從對稱性破缺狀態回歸對稱狀態的時間也會相應延長。而無窮大系統則永遠也無法到達對稱狀態,因此,整個系統的對稱性都處於破缺狀態。

物理學家表示,我們應該可以通過實驗觀察到時空平移對稱性破缺。這需要利用一套由受限原子、受限離子、或超導量子比特構成的大型系統,打造出一塊時空晶體,然後觀察隨著時間的流逝、這些系統會發生怎樣的變化。科學家預測稱,這些系統將會呈現出週期性的振盪運動狀態,這正是時空晶體的標誌性特徵之一,並且印證了時空平移對稱性破缺的存在。

【圖:互聯網;文:節錄自世界物理學期刊網頁;新聞訊息由林景明提供】

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