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比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲6
送交者: 连横合纵[♀★★★金嗓俏丽吴姝★★★♀] 于 2019-02-11 5:17 已读 645 次  

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比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲6---反物质与对称性及其破缺的车轱辘话话(下)6parker.com

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前三部曲的合集见:6parker.com

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龙珠雷达八卦过,很多人知道,霍金曾经拿出100美元,打赌Higgs不存在。这是一则八卦,本来没什么实际意义,不过一些不了解物理的媒体竟然以此把霍金归为反对Higgs, 甚至反对粒子标准模型的一类物理学家,这个简直是扯蛋。事实上,霍金不仅相信标准模型,甚至对超对称,超弦都是支持的。6parker.com

小姐姐注:有关宏观质量的量子世界起源,包括量子世界各种力的内涵等标准模型,参见我写的比《流浪地球》更辽阔:我的宇宙冥想曲系列https://club.6parker.com/nz/index.php?app=forum&act=threadview&tid=6760666parker.com

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类似的哲学同样可以用来形容现在超对称的处境:标准模型的问题在于实在是太完美:)
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完美到无法为发现新物理提供线索。除此以外的所谓“问题”,根本算不上物理学的问题,最多算是哲学,甚至美学上的问题。(比如,三种力的耦合常数在高能不相交?靠,为什么一定要相交?为什么一定要大统一?)6parker.com

Higgs的二次发散注定在THz或者稍高的量级上有新物理存在。而解决二次发散最简捷而行之有效的方法,就是超对称。同时超对称解决了一些宇宙学上的问题(比如暗物质),顺便也解决了哲学的问题(比如刚提到的耦合常熟的问题)。所以超对称无疑是目前正确几率最大的新理论。6parker.com

对称性6parker.com

众所周知,自然法则本身都是满足对称性的。在平地上做力学实验,和在一列高速行驶的列车上做的实验得到的结果是相同的,昨天和今天做相同的实验得到的结果也是相同的,因为力学原理满足空间平移对称性和时间平移对称性。此外,还有旋转对称性和反转对称性等。6parker.com

对称性体现了自然的美与和谐,但是物理体系的稳定状态(基态)却不是对称的。举个简单的例子,在桌子上竖起一支铅笔,理论上铅笔受到的重力垂直向下,在水平面上是对称,也就是说铅笔向任意一个方向倒下的概率相等。这时候铅笔的状态体满足对称性。6parker.com

然而,竖立并不是铅笔能量最低的状态,当一个微小扰动出现,它只能选择一个方向倒下。铅笔倒下的状态能量最低(即基态),也没有了对称性。晶体便是一个打破对称性的极佳例子,在不同的方向上看晶体,看到的是不同的样子。这种自然法则对称而物质状态不对称的现象叫做自发对称性破缺。6parker.com

时间晶体6parker.com

对于物理学家而言,晶体与宇宙中的一项基本性质对称性有关。既然空间对称性可以被打破,那么时间对称性为什么不能呢?6parker.com

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宇宙中所有自然形成的和人造出来的晶体都不同程度地打破了空间对称性,而现在又有一种新型晶体被人类造了出来,它除了满足一般晶体的特征外,还打破了时间维度上的对称性,这就是时间晶体(time crystals )。在这种全新的晶体里,晶格将会在时间这个维度上进行有序重复。6parker.com

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至此,经典对称性最后一块面纱——时间对称——终于被人类揭开,这是物理学上的一项重大成果。6parker.com

时间晶体的超级稳定性可以作为对抗退相干效应的有力武器,来保证一个量子态的寿命。如果量子态可以被强化,它还可用作制造更稳定的量子计算机内存,和进行更精确的测量。6parker.com

时间晶体所具有的性质:基态呈现周期性,且为驱动周期的整数倍,周期稳定,有清晰的相变边界。与其说是这些晶体做到了在时间上周期性“重复”,倒不如说是我们第一次大规模制造出了非平衡态的新材料。它们的基态永不停歇,无法像钻石或者红宝石那样回到相对静止的平衡态。6parker.com

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马里兰大学的物理学家第一次用一维的镱离子链造出了时间晶体。每一个离子都像电子那样拥有自旋,它们之间的长程作用力如图中箭头所指。这10个镱离子像电子一样具有自旋。也就是说,它们不再各向同性,而是像箭头一样会指向一个特定的方向,并且这些带有自旋的离子在磁场中会发生相互作用。6parker.com

2012年,诺贝尔奖获得者Frank Wilczek 提出了这个问题。同年他在Physics ReviewLetters上面发表了两篇论文,分别阐述了经典力学和量子力学下的时间对称性破缺的可能性。6parker.com

简单来说,就是通过一种特殊方式,可以让物质的基态处于一种周期中。对应于晶体结构在空间上的周期排列,这种材料在时间上也是“周期排列”的,他给这种材料取了个很形象的名字——时间晶体。值得注意的是,一般晶体在时间这个维度上是连续分布的,在任何一个时刻观察它们都会看到同样的晶体,而时间晶体在不同的时间却有着不同的基态。6parker.com

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问题是对称的,解决方案不对称;自然法则是对称的,物质受法则支配的状态不对称,这就是自发对称性破缺。
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