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[转载]【转】诺奖得主弗朗克-韦尔切克称第四空间存在永动”时间晶体”

(2013-12-18 10:53:08)
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分类: 谜与探索

     美国麻省理工学院著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克近日发表最新研究成果称,可做周期性运动的“时间晶体”可能确实存在。

     相对于普通的三维空间晶体而言,所谓的“时间晶体”是指一种在第四维空间(即时间)也存在周期性重复运行的结构。研究人员认为,这种神奇的结构类似于永动机,处于一种永动状态,但并不违背能量守恒定律。
从钻石到雪花等,晶体在自然界非常普遍。这些物质原子整齐地排列,在三维空间上呈周期性重复的图案,让它们形成了非常美丽的外观。这些三维空间 的晶体在科技领域也是重要的研究和应用材料。诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克在这项重要研究中认为,自然界可能也存在第四维空间的晶体,即“时间晶 体”,也就是在第四维呈周期性重复运动的结构。


    根据物理学家的观点,一个时间晶体应该是一种自然的物体,它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样,其中的碎片一直在循环往复地旋转 形成各种美丽的图案;或者像时钟一样,其时针每12小时完成360度旋转。不过,与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是,时间晶体是在自己的永动 机制的支持下实现永远运动,而这种永动机制必须要符合物理学定律。


    这样的怪异物体令人感到不可思议,难以理解,大多数人此前更是从未想像过。但是,韦尔切克认为,它们可能 已经存在于自然界中,或很快将通过工程 手段人工合成,而且可能存在多种类型的时间晶体。韦尔切克解释说,“最简单的实现形式就是,某种系统,它的几何学特征让它能够做环形运动,一定时间后又回 到原来的位置。某种更复杂的结构,可能就是一组原子,它们在三维空间中做无规律自由运动,但是它们都会周期性地回到自己的始发点。”


    关于时间晶体的特点,韦尔切克认为,它的运动应该不消耗任何能量,相反,它应该处于一种稳定的最小能量状态,就像钻石和其他传统的晶体一样。即 使这样,它仍然是处于一种永动状态。不过,韦尔切克也表示,时间晶体与永动机并不一样,时间晶体并不违背能量守恒定律。“通常情况下,所谓的永动机肯定不 会长久,因为它们并不是处于一种基态,它们的能量会随着运动而消耗,最终能量会消耗殆尽。在时间晶体中,能量是守恒的,因为没有任何能量被移走。神奇的 是,在这些物体中,能量有自己最小化配置,但是物体中原子的运动速率并非为零。”


    韦尔切克在论文中辩解称,时间晶体遵循一种被物理学家称为“时间对称破缺”的理论。这种理论就是:无论在空间上你在哪里,还是时间上你在哪里, 物理学原理都同样适用。你可以实施一项物理学实验,可以进行某些测试,然后带上这些实验设备转移到任何方向一个任意短距离内的地方,或者在短时间内等待任 何时长后再次进行某些实验,在所有这些实验中你应该得到同样的结果。在这种情况下,时间和空间被称为完美对称。韦尔切克的重要观点是,能够打破时间对称性 的晶体也是可以存在的。在最近发表的两篇论文中,韦尔切克通过数学方法对其进行了验证。


    普通的晶体通常都是非完美的。因此,韦尔切克认为,有可能发现或制造出一个非完美的时间晶体,即这个物体可以以一种近圆形方式运动,但是会有轻 微的波折,因此在相当长的时间内它会缓慢地辐射出少许能量。不过,韦尔切克也表示,真正的时间晶体可能也存在于自然界中,最有可能先在实验室中实现。
由于这种晶体的形成条件过去苛刻,而且很少有人能够理解,因此现在谈论它们的用途还为时尚早。韦尔切克表示,“当前的研究就是去发现理论上的可 能性。接下来,如果大自然是仁慈的,而且有幽默感的话,那时间晶体就会很快在某个地方出现。为了帮助那些试图通过实验方式验证的人,我们首先应该为他们提 供指导,建议哪些材料最有希望实现。”

    韦尔切克的两篇最新论文发表于arXiv网站上,其中一篇的联合作者是美国肯塔基大学物理学家阿尔弗莱德-沙皮尔。两位物理学家计划近期将论文发表于《物理评论快报》上。

       评:有物混成,先天地生。寂兮寥兮,独立而不改,周行而不殆

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