时间晶体，把爱保存到宇宙尽头之后

谨以此文献给我的妻子。

“生生世世，不离不弃，直到地老天荒，直到宇宙尽头……”当我们面对美妙的爱情时，总会发出上述誓言。尽管誓言铿锵，可总会留下一个否定和阴暗的结 尾，比如宇宙的尽头和地老天荒什么的。在我们的潜意识中，再美好的感情，再美妙的关系，总有结束的那天，因为没有人能够敌过死亡。就算是宇宙，也可能会有 热寂的那一天。如果我们的宇宙不断膨胀，终究有一天，它将会冷却到绝对零度附近，我们再也无法获取维持生存所需的基本能量。因此，一旦我们发誓维系某段感 情到地老天荒时，潜意识中已经把这作为最极端的誓言了。

现在，我要介绍一种新的物质，利用它制造出的时光胶囊，可以使我们即使到了宇宙的尽头，即使所有的生命，包括我们自己都死亡了、枯寂了的时候，仍旧能够保存我们那些最珍贵的回忆。拥有这样的时光胶囊，即使地老天荒，我们留下的回忆仍旧鲜活。

 

什么是时间晶体？

要理解这种全新的物质，让我们从最常见的晶体材料说起。在我们的生活中，有很多天然具有规则形状的物质，比如说六角形的雪花，晶莹剔透的水晶，璀璨 夺目的钻石。这些固体物质就是我们常说的晶体。我们都知道，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。水分子按照一定的空间周期等间距地排列起来，所形成的冰自然无 法随意形变也无法流动。

爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有一个维度就是时间。既然我们生活周围有这么多在三维空间上结晶的晶体，是不是也存在着在 时间上结晶的晶体呢？这应该是一个很自然的设问。不过直到诺贝尔物理奖获得者维尔切克（Wilczek）之前，还没有人提出这个设问并给出答案。

维尔切克接受记者采访时说，他最初是在上晶体这个课程时想到了时间晶体这个概念的。如果与空间晶体类比，那么时间晶体就可以定义为在时间轴上 自发 地周期性变化的一类物质。在时间轴上周期性变化的事物我们也见过很多，比如说我们戴的手表。但所有这些事物的运动都不是自发的，需要外界输入能量才能维持 其运动。机械表我们隔几天要上发条，电子表过上一年半载我们要换电池，绕太阳旋转的地球越转越慢。因为对这些系统来说，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。而维尔切克发现，对一类特殊的系统，旋转时的能量比静止时还要低，那么这种系统最终总会耗散到不断旋转 的状态。这被称为时间上的自发对称性破缺。

 

如何实现时间晶体？

有关持续运动的系统，人们已经找到了一些实例。比如对于一个很小的超导体金属环来说，如果我们给它加上磁场，那么环中就会出现持续不断的电流。对这 个系统，电子的流动时是能量最低的状态，它将永远地流动下去。这个例子似乎并不让人吃惊。可如果金属环的尺度非常微小，我们将不得不用量子力学来分析它。 我们发现，即使金属环有电阻，在低温下给金属环通上磁场，里面也会出现从不衰减的电流。从某种程度而言，这已经很接近时间晶体了。但是时间晶体的物质密度 在时间上存在周期性变化，而有持续电流的金属环中并没有出现电子密度随时间的周期性变化。

为了实现真正的时间晶体，维尔切克设计了一种目前还不存在的带电材料，它可以由非线性的薛定谔方程来描述，其基态解是一种孤立子。在磁场下，孤立子 能量最低的状态将不再是静止的，而是以一定的角速度旋转的状态。与持续电流不同，孤立子旋转起来时，在圆环上会出现物质密度的周期性变化，也就是说出现了 真正的时间晶体。

 

时光胶囊，让美好的回忆永存

对于时间晶体，我们还有另外一种称呼：“永远运动的系统”。这并不意味着它能像永动机那样无中生有地不断提供能量。时间晶体的的运动是不需要外部能 量输入的，同时它也不能向外输出能量而不改变自身运动状态。如果我们把空间晶体和时间晶体的概念综合起来，那么实际上就存在一种特殊的物质，可以同时在四 维时空中结晶，形成所谓的时间-空间晶体。

时空晶体最酷的一点就是它能在绝对零度附近保持运动。因此维尔切克设想未来有一天，随着技术的高度发展，我们可以对时空晶体进行编程，设计出复杂的 周期运动回路，代表不同的比特，以及比特间的运算，然后把我们的人脑意识上传到这个时空晶体中。这种携带了人脑意识的时间晶体可以称之为时光胶囊。与通常 意义上的计算机不同，它并没有输出，只能周而复始地重复我们预先编制好的程序。我们可以把自己一生中最美好最难忘的回忆和感受存在其中，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，我们那些美妙的情感仍旧永存。把爱保留到宇宙尽头之后，也许会是我们研究制造时间晶体最浪 漫的动机。

相关资料：

[1]Alfred Shapere and Frank Wilczek, Classic time crystals, arXiv:1202.2537.

[2]Frank Wilczek, Quantum time crystals, arXiv:1202.2539.

首发果壳网

用热光照射冷却机械振子

最近PRL上有一篇论文，讨论了一个违反直觉的冷却机械振子的方案：热光照射机械振子，也可能冷却它。

这个方案的其实很简单：一个光机械振子系统，其中有一个机械振子模，两个光学腔模。腔模的频率只差正好等于机械振子的频率。用热光场照射频率较低的光学腔模，由于光力之间的耦合，会同时引起两个效应，一个是对机械振子的加热效应，另外一个是机械振子耦合到频率比较高的腔模，会引起机械振子振动的减弱。当热光场小于一个阈值时，总的效应是引起机械振子热振动的减弱，温度的降低。

我要指出的是，这篇论文是受到我以前一篇论文的启发下写的。在我的论文中，也讨论了一个完全一样的冷却机械振子的方案。我也考虑了冷却驱动光带有相位噪声时的情况，发现这个双共振的方案能够极大的压缩相位噪声的影响。只不过我的研究也就仅止步于此了。他们显然是在此基础上，进一步的考虑到如果冷却光的相干性完全消失时，也就是热光情况下，冷却效应是否存在。最终他们给出了一个反直觉的结果，发现冷却效应还是存在的。他们估计，在现有的实验条件下，从室温冷却到液氮温度以下是可能的。