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时间晶体，直到世界尽头的浪漫,下面一起来看看本站小编中科院物理所给大家精心整理的答案，希望对您有帮助

有什么浪漫的物理故事1

作者：孙小彪

什么是时间晶体

《三体》中有一段唯美的诗：我捧出给她的礼物，那是一小块凝固的时间，时间上有美丽的花纹，摸起来像浅海的泥一样轻柔。在科幻作品中，时间是可以触碰的实体，是送给恋人的礼物，里面保存着两个人的浪漫，直到宇宙尽头这份浪漫也不会消逝。

时间晶体英文名为 time crystals，也叫时空晶体（space-time crystals），是一种在空间和时间上都有周期性结构的四维晶体。我们日常所接触的都是固、液、气三种基本物质形态，但随着科学的发展，物质形态的概念也得到扩展，比如等离子体态、波色-爱因斯坦凝聚态、超临界流体等。时间晶体是一种全新的物质形态，也是一种打破时间平移对称性的非平衡态物相。

时间晶体的概念最早是由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在 2012 年提出的。三维空间的晶体我们并不陌生，比如冰块、钻石等。晶体是微观粒子在空间上周期性排列的几何对称结构。维尔切克在给学生上课时开始思考，能否把三维晶体的概念拓展到四维时空中，让物质在时间的维度上周期性排列。也就是说，时间晶体在不同时刻具有不同的状态，并且这种状态的变化具有周期性。举个通俗的例子，一个时间晶体可能第一秒是白糖，第二秒是红糖，第三秒又变回白糖。

图 | 弗兰克·维尔切克（来源：frankawilczek.com）

三维晶体具有空间平移对称性破缺，与之类比，时间晶体也该也具有时间平移对称性破缺。所谓空间平移对称性（symmetry of space translation），是指一个物理系统沿空间某一方向平移任意距离后，物理定律不会改变。简单来说，就是在不同地方做相同的实验，得到的结果是相同的。而时间平移对称性（symmetry of time translation）讲的是在不同时间做相同实验，得到的结果相同。

对称有高低之分，圆形要比矩形的对称性高。液态的水是各向同性的，固态的冰是各向异性的，水的对称性要比冰高。这种高对称到低对称的过程就叫对称破缺。三维晶体要移动整数个晶格常数的距离才具有相同的空间结构，时空晶体也要经过特定的时间才能回到初始状态。也就是说你在第 1、3、5 等奇数秒看到的是白糖，第 2、4、6 等偶数秒看到的是红糖，红糖与白糖之间的差异，就是时间晶体的时间平移对称性破缺。

新的永动机？

1918 年，德国女数学家艾米·诺特（Emmy Noether）提出了物理学上意义重大的诺特定理，即每一个对称性都有一个相关的守恒定律，反之亦然。空间平移对称性对应动量守恒，空间旋转对称性对应角动量守恒，时间平移对称性对应能量守恒。时间晶体打破了时间平移对称性，但它并没有违反能量守恒定律，因为时间晶体即没有能量输入，也没有能量输出。

（来源：Pixabay）

时间晶体如同钟表一样，秒针经过 60 秒之后会回到原来的位置，并一直循环往复。但钟表指针的旋转需要机械能或者电能等外部能量输入，时间晶体无需外部能量输入，因为时间晶体处于最小的能量基态。这看起来似乎是矛盾的，时间晶体可以实现时间平移对称性破缺，这意味着它随着时间不停转变自身状态，也就是处于不断运动的状态。而物体不断运动，说明它有额外的能量耗散，直到能量消耗殆尽不再运动为止。

对于一般系统，运动时的能量要比静止时高；但对于一些特殊系统，运动时的能量反而比静止时要低，这种系统经过能量耗散，最终会达到不断运动的基态，这被称为时间上的自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking）。

关于自发对称性破缺有一个经典的例子：假设有一顶墨西哥帽，一个小球静止在帽顶，小球从帽顶往帽沿滑落时，它往任何方向落的概率都是相等的，此时系统具有旋转对称性。一旦小球落下，它只会往一个方向落，这就破坏了系统原有的对称性。这种对称性的破坏不是由物理规律决定的，而是由小球自身的不稳定性引起的，这就是自发对称性破缺。

图 | 墨西哥帽（来源：Pixabay）

时间晶体的这些性质听起来有点像永动机，但时间晶体的运动是没有外部能量输入的，同时它的运动能量也不能对外输出加以利用，所以时间晶体并非永动机。由于时间晶体处于基态时会持续运动，它可以被用来传递信息。当物质处于绝对零度时，周围的物质都处于静止的基态，而时间晶体却以能量更低的基态持续运动。关于这点科学家有个很奇妙的设想，当宇宙不断熵增，最终达到热寂状态时，时间晶体因为处于能量更低的基态，可以依旧维持运动。

时间晶体的实现

时间晶体理论模型的提出是一回事，实现又是另一回事。时间晶体的概念遭受了很多科学家的质疑，认为它是不可能存在的。2016 年，加州大学伯克利分校的诺曼·姚（Norman Yao）设计出了制造时间晶体的详细蓝图。姚将他的蓝图比喻为连接理论模型与实验方法的桥梁。

图 | 诺曼·姚关于时间晶体制造方法的论文（来源：journals.aps.org）

根据姚的蓝图，来自马里兰大学和哈佛大学的两个团队分别独立制造出了时间晶体。两个团队采用了不同的方法，却得到了类似的结果，这证实了时间晶体确实是一种全新的物态。

需要指出的是，时间晶体分为连续时间晶体和离散时间晶体。目前所实现的时间晶体都属于离散时间晶体。连续时间晶体很难实现，目前尚有争议。

瑞秋的时间晶体并不完美，它目前只能持续 50 个周期。未来，时间晶体可以用于量子计算机中，作为一种存储方式。或许，时间晶体虽然没有像漫威电影里时间宝石那么科幻，却能像《三体》中的诗那样浪漫：她把时间涂满全身，然后拉起我飞向存在的边缘。

对于物理学家而言，发现时间晶体就如同发现了新大陆，但这新大陆是沃土还是荒漠，这点尚未可知。

时间晶体的神秘面纱，还需要时间来揭开。

参考资料：

[1]https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet

[2]https://www.scientificamerican.com/article/time-crystals-could-be-legitimate-form-perpetual-motion/

[3]https://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals

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来源：学术头条

编辑：Paarthurnax

有什么浪漫的物理故事2

【图文由“中国科学家”（ID：Chinses_Scientises）公众号原创，转发请申请授权。】

恩师教导他为祖国的建设需要报考工科，但他一心想探索未知的数学世界，当一名数学家。为此，他想出了一个两全其美的办法——选物理系。

介于数学和工科之间的物理，既符合自己的兴趣，又可以不让老师失望，还能为国家的建设做贡献。

他，就是我国著名理论物理学家，中国科学院院士，南京大学教授——龚昌德。

他长期从事凝聚态理论和统计物理的研究，是我国学术思想活跃并且很有影响力的凝聚态理论物理学家。

他在超导理论、低维物理以及光与物质的相互作用等领域都有若干富有创新精神的研究成果。

他是国内理论物理学术带头人之一，曾为攀登计划"九十年代理论物理学重大前沿课题"的专家组成员，并主持"强关联电子系统理论研究"子项目。

他还是国内最早倡导应用量子格林函数于凝聚态物理的专家之一，为国家理论队伍建设作出了贡献。

在没上大学念物理系之前，龚昌德其实一直对数学情有独钟，甚至从初中二年级开始，他一心想当个数学家。

那时，少年龚昌德被数学王国深深吸引，不论是代数难题还是几何难题，他总是热情投入，乐此不疲。

读高中时，教他数学的徐松樵老师经常点名让学生到黑板上解题，遇到同学们都犯难的题，徐老师就会让龚昌德解答，他总能轻易的演算出来。

整个高中时期，龚昌德的理科成绩都在全年级名列前茅。徐老师甚至将大学教材《微积分》借给他作课外读物，在徐老师的关怀和帮助下，龚昌德更加发奋地学习，他也从心眼里尊敬和爱戴这位恩师。

高中毕业填报高考志愿时，龚昌德犯了难：徐老师建议他为了祖国的建设报考工科，而他一心想探索未知世界，当一名数学家。

一面是恩师的教诲，一面是自己的梦想，经过慎重考虑，龚昌德想出了一个两全其美的办法——选物理系。

因为在他看来，物理介于数学和工科之间，既符合自己的兴趣，又可以不让老师失望，还能为国家的建设做贡献。

时至今日，谈到自己当初这个聪明的折中选择时，龚昌德还颇为得意。

"尽管我也知道当时新中国百废待兴，亟需建设人才，可我只想从事探索未知事物规律的研究，因为一切的未知对我都具有无限的诱惑力，我渴望做一个开拓者。"

就这样，1950年，龚昌德考入了国立交通大学（现上海交通大学）物理系。两年后由于全国院系调整，他转入复旦大学物理系。1955年，调入南京大学物理系任教。

在南大物理系工作后，龚昌德开始了对理论物理的研究工作，在教学相长的过程中，他对物理的学习犹如一棵大树，越来越根深叶茂。

他是最早给本系学生上主干课《热力学与统计物理》的青年教师，在没有教材课本的情况下，在全国率先给理论班开设了《量子电动力学》、《量子场论》课程。

1976 年，全国超导会议的组织者邀请龚昌德等三位学者在 1977 年的全国超导会议上宣讲强耦超导理论，尔后，他又为中科院物理所等单位连续开设讲座。讲习班内容后汇编成文，即由科学出版社出版的《量子统计的格林函数理论》。

1978年，龚昌德（左二）在法国参加LT15会议，与管惟炎（左一）、张其瑞（左三）合影

他利用自己的心得与国内两位同行联合发起"超导临界温度理论"研究，并接连发表 3 篇关于该项工作的论文。这些论文很快引起了一批国际著名学者的关注与重视，也极大地鼓舞了当时正重整旗鼓但举步维艰的国内学术同行。

1978 年和 1981 年，该成果分别荣获全国科学大会奖和国家自然科学奖。

凭借自身的聪颖和努力，龚昌德很快站到了学术研究的国际前沿，继续探索全球超导物理学界共同面临的重大疑难问题。

1990年，龚昌德（左）与冯端（右）于南京接待联邦德国萨尔州立大学Holz教授（中）

为了解国际最新的研究方向，大批学者开始了学术交流之旅，从境外带回先进理论及经验，使我国基础研究焕发新生。龚昌德先后前往我国香港、台湾地区以及欧美、日本等国进行学术交流，带回前端研究方向及成果。

此外，他还"敢为天下先"，将SCI（科学引文索引）引入南京大学，南京大学也成为中国高校中最早将 SCI 的论文收录和被引用次数等作为评价院系、教授学者的研究质量水平，以及理科博士研究生教育质量重要指标的学校。

1994年，龚昌德（左一）与博士后李建新（左二）、李美蓉（女）于南京大学办公室讨论学术问题

在成果涌现的过程中，龚昌德还为国家培养了一大批中坚人才。

他十分重视本科教育。自1956年开始上物理系主干课程《热力学统计》以来，普通物理、理论力学、量子多体理论、高温超导等各种不同的课程，只要需要，他都乐于登台授业，成为"课堂救火员"。

1988年，龚昌德（中）于瑞士参加HTSC会议，与王芝音夫妇合影

他更是青年教师和硕士、博士生的良师益友。他培养的博士和硕士遍布全国及世界十余个国家和地区。

他先后获得了江苏省高等学校"红杉树"园丁奖金奖、南京大学"宝钢优秀教师奖"以及国家级教学成果一等奖等，他所著"热力学与统计物理学"获得国家教委高等学校优秀教材一等奖。

2008年，龚昌德在全国热力学与统计物理学教学与学术研讨会上作报告

2012年，已是八十岁高龄的龚昌德学习使用电脑，并没有和许多同龄人一样成为"网络难民"，他积极享受网络时代的新型娱乐。

他说，在平时闲暇之时会玩"连连看"等益智类电脑游戏。玩游戏并不是单纯因为好玩，而是为了锻炼自己的大脑，帮助自己时刻保持大脑的活跃度和思维的敏锐性，进而延长自己的科研生命。

平日里，除了自己钟爱一生的物理，他还有许多的兴趣爱好，其中不乏美术、音乐、哲学等人文学科。

对于人文与科学的关系，龚昌德有自己的一番见解：科学和人文是相通的。在低层次上，人文精神可能与自然科学呈对立的矛盾状态，可真正达到高层次时，二者其实是相辅相成、相互促进的。

"法国伟大的数学家庞加莱曾提出著名的'庞加莱猜想'，但他从未在一个领域过久逗留，往往研究两年，将成果公之于世后，又将人们引向另一新领域，其研究具有开拓性且涉及面极其广泛。这就是科学精神和人文精神的结合，这就是科学的浪漫主义。"

龚昌德说："我很欣赏庞加莱、德•燕式的浪漫主义，思维自由而活泼。"作为一名教育工作者，他常鼓励学生用"科学的浪漫主义"激发创新型的思维。

"人文艺术的熏陶在潜移默化中对思维方式有所帮助，使我同时具有严密的逻辑思维和跳跃的艺术思维，这让我受益匪浅。"

参考来源：

1、浙江在线

http://edu.zjol.com.cn/05edu/system/2012/09/26/018836587.shtml

2、中国科学报

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/2/402124.shtm

3、 《艺痴技良不言休——记南京大学教授、中科院院士龚昌德》，《中国高校科技与产业化》，2006年09期，P52-54

4、 本文图片来源于中国科学报、南京大学新闻网

有什么浪漫的物理故事3

北京时间10月31日15时37分，搭载空间站梦天实验舱的长征五号B遥四运载火箭准时点火发射。

海南文昌航天发射场外围，许多围观群众正在为火箭升天的壮观场面欢呼。这时，一个小伙子忽然在飞天火箭的背景下单膝下跪，捧出一枚戒指！他身边的女孩顿时捂住了脸。

“天啊，太浪漫了吧！”围观群众激动了。

“做航天最重要的是可靠，我觉得我是一个值得你托付的可靠的人，所以可以嫁给我吗？”小伙子说。

他叫孟令强，来自杭州，国科大杭州高等研究院特聘副研究员。他参与研制的空间站高精度时频柜窄线宽激光器，已经随着梦天实验舱飞向太空。

90后航天人在发射现场求婚

记者连线的时候，孟令强和朋友们正在庆祝，激动溢于言表。“这个求婚我策划了好几个月了，女朋友完全不知道，她当时都懵了。”

2020年，孟令强博士毕业，来到国科大杭州高等研究院，直接投身空间站高精度时频柜窄线宽激光器载荷研制项目。作为这个项目的光学主管设计师，他2年里无数次飞北京、西安等地，没日没夜地工作。

而女朋友也是在那时认识的。在这2年里，孟令强深刻认识到歌里唱的那句“军功章上有你的一半”的真正含义。

“航天事业是一个团队的合作，我们常常一出差就是几个月，接到通知就立刻动身。”孟令强回忆，就在今年上半年的一个周六，本来说好了要去见女朋友的家长，结果周五接到通知，要飞北京调试载荷。于是他马上动身。

“航天项目的研发周期都非常紧张，我不能让同事们等待。”孟令强说。有时候女朋友也会为此苦恼，“但是她很支持我。我真的感觉到，对航天人来说，家人的支持太重要了！”

这也是航天前辈们共同的心声。今年7月，在完成载荷交付后的工作晚餐上，他的导师就提醒大家，家庭对航天人有多么重要。

和女朋友一起看梦天实验舱发射

这让孟令强决定，要给女朋友一个巨大的惊喜！

“作为一个航天人，我希望自己人生中重要的时刻，能融入祖国的航天事业里。”孟令强说。

在晒出求婚照片以后，女朋友的爸妈也很激动，未来丈母娘打电话说：“这个时间点特别有意义！”

孟令强告诉记者，接下来他还会参与巡天望远镜、引力波探测太极计划等重大项目。他的事业和人生都将揭开全新的篇章。

梦天实验舱实验柜分布

国科大杭高院最新成果随“梦天舱”升空

孟博士参与研制的窄线宽激光器是什么设备呢？

国科大杭高院引力波宇宙太极实验室（杭州）特聘副研究员梁新栋告诉记者，窄线宽激光器能够发出一束最纯的激光，在空间飞秒光梳的配合下，去探测原子的钟跃迁信号，这束最纯的激光被锁定在钟跃迁信号上，从而使光钟产生目前世界上最准确的一秒钟。

三年前，国科大杭高院受中科院国家授时中心委托，参与研制世界首套空间冷原子钟组。这套新设备能测量宇宙时间，误差精度提升至几十亿年至上百亿年差1秒，将保障卫星导航、量子通信等研究。空间冷原子钟组分三部分，其中，窄线宽激光器和空间飞秒光梳相当于钟的指针。

按照任务设计，高精度时频科学实验系统的成功应用，标志着世界上第一套由光钟、微波钟、氢钟组成的空间冷原子钟组的成功建立，构成了太空中频率稳定度和准确度最高的时间频率系统，对人类重新定义时间标准、卫星导航、深空探测、基础物理量测量、 相对论验证、量子通信等均具有重要的意义。

梦天舱见证下的幸福

祝福航天人！

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内容更新时间（UpDate）： 2023年03月20日 星期一