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DARPA斥资研究“时间晶体”,为研发更精确的原子钟做准备

北极蚊子 2018-3-27 11:13

近期,美国国防部高级研究计划局(DARPA)宣布将资助研究时间晶体项目。什么是“时间晶体”,难道真是把时间凝固结晶吗? “时间晶体”又有什么用呢?

2012 年初,时间晶体”的理论由诺贝尔物理学奖得主麻省理工学院物理学家弗兰克·维尔泽克(Frank Wilczek)提出。

“时间晶体”是一个新物质,若不是维尔泽克将它提出来,我们也不会知道还有这种东西。

生活中的晶体有很多,比如钻石、雪花、水晶等等。随着温度的不同,水具有气态、液态、固态三种不同的形态。

之所以各种状态有这么大的区别,是因为随着温度的降低,水分子的运动越来越慢,在冰点之下就自发地凝结起来了,形成了周期性的有序结构。

根据爱因斯坦的理论,我们还知道,世界不是三维,而是思维,那个维度就是时间。

由此便引发了一个思考:我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的晶体,那么,是不是也存在着在时间上结晶的晶体呢?

就这样,维尔泽克发现了“时间晶体”,他认为“时间晶体”是一种四维晶体,在时空中拥有一种周期性结构。

可以将它看作是一只可以永远保持走时精确无误的钟,即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。

它有一个特性和时钟十分类似,就是虽然会随着时间改变而变化,但是最终还会回到它的初始状态。它在时间和空间上都有周期性。

但是,与普通的钟或者其他周期性的过程不同的是,“时间晶体”和“空间晶体”一样会是最低限度的能量的一种状态。

这句话有些抽象,我们不妨这样理解一下。我们所见的时钟之所以能转动,是因为上了发条,或是安装了电池,所以它运动都不是自发的,需要外界输入能量才能维持。

对于手表这类系统来说,运动的能量总是比静止时要高。所以总会发生能量耗散,最终系统停止在能量最低的状态。

而“时间晶体”是一个封闭的系统,无需外加的周期性驱动。这个系统相当特殊,因为它运动的时候消耗的能量比静止还低所以说它是不会停止的,一直旋转。

“时间晶体”系统会自发的出现周期性的运动,这被称为时间上的自发对称性破缺。

根据它的特性,我们给“时间晶体”起了个外号:“永远运动的系统”。难道就是传说中的永动机?

两者之间还是存在差别的,因为“时间晶体”运动虽然不需要外部能量输入,但它也不能在不改变自身运动状态的情况下向外界输出能量。

对于这么一个新奇陌生的产物,维尔泽克是抱有很大期望的。他认为未来会有一天,人类可以对时空晶体进行编程,把大脑意识上传到“时空晶体”中,做成时光胶囊。

这样人们就可以把生活中的美好回忆存进胶囊,让大脑不断重演那些最美妙的瞬间。拥有了这样的时光胶囊,即使地老天荒,即使宇宙热寂,那些美妙的情感仍旧永存。

说了半天,“时间晶体”在现实生活中存在吗?就在去年,有两支美国团队以不同方式造出了“时间晶体”。

马里兰大学的团队将 10 个镱原子排成一列,然后用两束激光交替轰击它们,使得这些原子进入一种稳定且重复的自旋翻转模式,符合“时间晶体”的定义。

另一个来自哈佛大学的研究团队则通过向钻石中密集充入氮气的方式,也制造出了“时间晶体”。

由于“时间晶体”是一种非常新颖的物质形态,由于理论上非平衡态物质具有绝佳的存储能力,这方面成果或许可用于开发量子计算机

大概理解了“时间晶体”是什么东西,咱们回过头来说说 DARPA 准备资助的这个项目。DARPA 是想利用“时间晶体”让原子钟更准确,用起来更便捷。

问题又来了,什么是原子钟? 人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有 1 分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具。

目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是 20 世纪 50 年代出现的。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。

由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了。

原子钟的精度可以达到每 100 万年才误差 1 秒。这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。

但是,原子钟使用时存在局限性,它容易受到外界干扰,而且需要将原子冷却到接近绝对零度。

另一方面,现在科学界研发出的原子钟精确度不足以探索量子力学和万有引力之间的相互作用。

所以,DARPA 想要借助“时间晶体”来改善这一状况。“时间晶体”属于非平衡态。而非平衡态系统能够很好的抵抗外界的干扰。

常见的许多物质都是平衡态物质,比如金属和绝缘体,它们在不受外界影响时,结构等特征不会随时间而变化。

非平衡态是指系统中状态变量不是常量的定常状态。定常状态指系统从初始状态开始随时间演进而进入的终态。

非平衡态就是除平衡态以外的定常状态,包括周期运动状态(即振荡态)、概周期状态(即遍历态)以及混沌态。

DARPA 是想看看这种非平衡态的“时间晶体”是不是可以把原子钟带出实验室,真正用于军事中,比如勘探地洞等军事用途。

但目前为止,DARPA 还没有给出具体操作方法,也未公布会为这个项目资助多少钱。DARPA 总是在搞一些新奇的研究。

DARPA 曾研究过移动热点,将从战场中退役的就无人机加以改造,成为控制的移动热点,让位于野外且各部队之间相距遥远的军队,维持联系,获得安全、持久且高速的无限链接。

DARPA 还研究透明盔甲,它由叠层的陶瓷、玻璃以及聚合物做成,仅 6 厘米厚,可以抵挡 7.62 毫米子弹的多次攻击。陶瓷水晶般的结构有助于预防盔甲不被第一次射击击碎,是战略车辆窗户玻璃的理想选择。

在基于力学的模型指导下,DARPA 研发具有超级力学特性的材料,并将这种材料用于新奇的防射击或爆炸护甲系统中。

他们还在研发一种层级结构,它可以让穿戴者在高密集的底部爆炸情况下(比如车辆底部安置炸弹爆炸),生存下来。这些研究旨在让可以抵抗各种武器综合性威胁的新型轻便盔甲成为现实。

除了这些之外,还有光优化内嵌微处理器,旨在通过研发芯片大小的集成光技术,使以低能量/比特提供所要求带宽、芯片内和芯片外的无缝光通信。

从而克服电子通信连接的局限性。这种技术特别适用于军方,通常,军方平台小、重量轻和能量少,但是,却需要有极致的功能效果。

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