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"量子时间晶体论"被指存缺陷 成立或致宇宙崩塌

http://www.kexue.com 2013-08-28 10:05:17 新浪科技  发表评论


美国麻省理工学院教授弗兰克·维尔泽克首次提出量子时间晶体的构想,遭到了很多同行的反对和质疑

  设想一下,一个处于运动状态的物体是否有可能能量为零?通常这个问题的答案是否定的,因为运动本身就会产生动能。然而这个答案由于一种“量子时间晶体”的出现而开始受到挑战。这一概念最早是在2012年由诺贝尔奖获得者,美国麻省理工学院的弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)提出来的。所谓“量子时间晶体”是一种理论体系,其基态,即其处于最低能级的状态,会发生周期性震荡。

  在那之后,美国加州大学伯克利分校物理学家李彤昌(音译:Tongcang Li)等人提出利用带电粒子(即离子)与环状离子势肼构建一个时间晶体的实验方法。他们指出,在弱磁场下,离子将开始围绕势肼旋转,并且由于此时这个离子正处于其基态,这种转动理论上将会永远持续下去。

  不过并不是所有人都欢迎量子时间晶体这个概念。比如任职于欧洲同步辐射光源(ESRF)机构的物理学家帕特里克·布鲁诺(Patrick Bruno)。他在这一理论体系中找到了几个漏洞,并排除了大部分可能被归入量子时间晶体的体系存在自发基态自旋的可能性。

  布鲁诺的这篇文章已经刊载于近期出版的《物理评论快报》上。这篇文章是在他早前对于维尔泽克论文进行评价的文章基础之上写成的,这两篇文章都在3月份刊载于同一份杂志上。

  根据布鲁诺的想法,量子时间晶体理论存在两个主要的缺陷。首先是维尔泽克在其模型中所描述的旋转的光孤子事实上并不处于基态,而是处于一种高能级状态;其次,即便一个处于基态但显示转动运动的系统仍然会以电磁辐射的方式进行能量辐射,而这就与能量守恒的原则相悖。

  维尔泽克此前对布鲁诺所做评论中的第一点进行了回应,承认其模型中的光孤子并非处于基态,但同时认为在其他一些体系中可以存在时间晶体,即拥有某种非静止状态的基态形式。

  在此次发表的新的文章中,布鲁诺证明了一个粒子围绕一个一维磁场环发生旋转就一定会增加体系的能量,从而使这一体系不再处于基态,而这就等于禁止了存在拥有旋转运动基态系统的可能性。布鲁诺此次给出的证明涵盖了拥有任何有限角速度旋转运动的体系。这些工作都是在另一位诺贝尔奖获得者,物理学家安东尼·雷格特(Anthony Leggett)有关超流体转动性质的工作基础上做出的。

  布鲁诺指出,他的这些观点不应该被认为是令人惊讶的,因为早在1964年,当时的另一位诺贝尔奖获得者沃尔特·科恩(Walter Kohn)就已经证明绝缘体对磁场通量完全不敏感。由于量子时间晶体在模型中表现为一种环状的魏格纳晶体,而魏格纳晶体是绝缘体,要想找到一种方法证明磁场通量可以造成这种体系的转动,用布鲁诺的话来说,是“一种注定徒劳的尝试。”

  而至于布鲁诺的此番理论究竟是否究竟量子时间晶体的最终定论,或许只有时间可以给出答案。布鲁诺表示:“关于我的这篇文章是否最终给出了量子时间晶体是否存在的答案,只有未来的发展情况可以回答。但就目前而言,我的文章提出的主要观点就是,就目前为止所有可能的模型和机制而言,时间晶体都是不可能存在的。因此除非未来在这一方面出现新的突破,我个人认为已经可以为这一问题划上句号了。”

  他补充表示:“我并不排除会有人提出其他理论的可能性,超出我的理论范围之外。然而,基于能量守恒原则,时间晶体的行为,即非静止的基态,是不被允许的,那是不可能存在的。”

  他说:“目前我还没有继续在这一课题上开展进一步工作的打算,除非有人就这一问题提出新的观点。在那样的情况下,我一定会仔细思考他们的观点,并且有可能回过头来重新探讨这一话题。”(晨风)

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