美科学家研制“时间晶体”超越宇宙寿命 类似永动机

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时空数据库是一个包含了时态数据、空间数据和时空数据，并能同时处理数据对象的时间和空间属性的数据库。时空数据库系统的研究涉及到数据库研究的诸多领域，如时空数据模型、时空查询语言和时空索引算法等等。它一方面增加了数据库管理的复杂性，另一方面，海量的数据为时间和空间分析提供了极为广阔的舞台。现实世界中有许多实体具有时空特征，如城市交通网络监控的车辆，森林火灾的火灾区域和动物研究中的候鸟迁移等，都需要使用时空数据库来管理。移动对象数据库是时空数据库研究的一个重要分支，它通过扩展数据库以实现在数据库中表示移动实体信息，提供相应的查询语言支持对移动对象运动状态的查询。本实验室围绕国家863计划等科研项目，研究方向包括本体驱动的时空数据建模技术、时空数据库索引设计、基于中间件的时空查询优化等，通过在传统的对象关系数据库上进行扩展，实现时空数据的高效表示，并提高时空数据的查询效率。在移动对象数据库方面，本实验室重点关注于移动对象预测模型和受限网络移动对象位置建模、索引方面的研究。


看到一条美国物理学家提出存在时间晶体类似永动机的新闻。好奇一下。

大致理解，这所谓时间晶体，就是在时间维上和我们通常理解的晶体其它空间维上一样重复。从三维的立场可以这样理解：一个三维结构处于持续的改变（运动）中，并周期性地重复出现相同的结构。

说它是永动机，无非是说这个过程是“自动”进行的，并且永久性地重复着。

不知为何，我不大理解这个想法神奇在什么地方：

1）像钟摆这样周期运动的结构，很新鲜吗？只不过从四维时空的角度去解释它，用了个“时间晶体”这么新奇的词而已。

2）至于永动机的说法，更像个噱头。物理学家自己都说了，它不违反能量守恒定律。那么永动的时间晶体是否能存在，与原来永动机制造者遇到的困难没有两样：这个理论带来新的启发又在哪里？

3）也许这个类比还有点意思？即，自然界的晶体都是*有限*的：
——那么，结构的周期浮现，也只能在有限的时间范围内发生——如此，成为时间晶体“永动机”不可能存在的一种佐证。

P.S. 诸如太阳系，周而复始地出现同样的结构，不就是所谓时间晶体了。生命的自我复制和重复，就是类似于三维结构的“准晶体”了。更大量的时空结构，类似于“非晶体”了。还是看不出有什么特别神奇的贡献所在。也许，类似于自然晶体的形成（结晶的动力学）在四维时空的展开，能带来些新启示？

PPS 人的大脑活动是有惯性的。干别的事情，这个念头又浮出来。从上面这个事我却想到另一个层面，即有序结构的有限性：例如，晶体（三维空间）的大小总是有限的，无法想象存在一个无限大的晶体——那么，在四维时空，重复的结构出现也会是有限的。换言之，>或许存在一种新的途径，从*有限性*的角度去解释例如能量守恒定律及热力学第二定律，及其背后的一些困惑（比如热寂说，规律的涌现或关于熵的种种）<。即作为一种推理，一个永动的/（最）无限的结构，必须延伸到整个宇宙，或者说，只有整个宇宙本身，才能说是一部“永动机”。

很多时候人们似乎把“无限”看作是自然的，有限看作是近似，而我觉得恰恰相反：至少从认知的角度，有限才是可确定的，无限是一种假设，一种理论的可能性。这又联系到我近来最看重的一个理论性考虑《开放的世界与有限的模型》。



据国外媒体报道，科学家发现宇宙中存在一种神秘的物质状态，可形成不可思议的“时间晶体”，更为奇特的是这类物质形态的运行机制如某种超导体，在低温环境下可运载电流，可能在不接受外部能量的情况下保持永久性运行，因此即便宇宙已经处于“热寂”状态，这样的体系还是能保持下来。

和普通晶体不同的是，即使在能量最小态，这个晶体也会永远转动。这种永恒转动产生了时间上的周期性结构，从而形成了一个时空晶体。

“时间晶体”机器可在宇宙热寂后仍然存在

科学家认为对神奇的“时间晶体”进行研究，为我们建造该体系新蓝图迈进了一步。普通的晶体的原子、分子排列具有一定的空间形态，可呈现出规则的几何形，并存在周期性排列的特征，就比如氯化钠这样的离子晶体，其空间结构呈现出立体对称，为一个八面体构造。通过这样的空间形态，可以为整体结构的化学性能保持最低的能量来维持晶体状态。

在今年早些时候，来自麻省理工学院的理论物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）曾推测这类未知状态的物质可形成“时间晶体”，并且可发生周期性的重复，更为重要的是在被称为宇宙第四维--时间纬度上进行周期性重复。将一个普通的晶体转换为在第四维度上的空间对称性，“时间晶体”中的原子会出现不停地旋转，而回归到其初始的能态上。更为重要的是，这些原子也会自发地处于较低的能态中，这意味着它们可以在宇宙处于熵寂或者温度冷却到“统一温度”时，也可以自然保持该体系的运作。

“时间晶体”中不断运行的机制通常会违法热力学定律，超导体中的电子被允许进行连续而不间断地运行。理论物理学家弗兰克·维尔切克最初建议超导环可以看作是一种“时间晶体”，如果电子流可以被分离而不是以一个整体、持续的状态出现，也可以确保出现周期性的重复。但是弗兰克·维尔切克并没有指出如何在现实世界中打造这样的“时间晶体”超导环。

根据加州大学伯克利分校李统藏（Tongcang Li）博士、以及位于密西根大学安娜堡分校、中国清华大学的几位同事认为这样的超导环的建造还是存在可能性。首先，我们需要一个离子阱（Ion trap），这是一种通过磁场或者电场就带点离子束缚在一定空间范围内的装置，处于极地的温度下，这样就可以使得离子形成一个类似环状晶体的结构。接着，我们将通过一个微弱的静态磁场，从而将离子旋转起来。在量子力学中，允许粒子的旋转能量必须大于零，甚至当超导环冷却到最低温度时而还能保持最低的能量状态。

在这种情况下，电场和磁场没有必要去保持晶体的形状以及粒子自旋的问题，其结果便是形成“时间晶体”，或则是一个事实上的“时间晶体”，因为离子环不仅可以在时间中进行周期性的重复运作，也可以在时间保持类似的特性。根据理论物理学家弗兰克·维尔切克介绍：“这是一个令人兴奋的设计思路，如果拥有了一些实验条件，似乎可以将其付诸现实，打造‘时间晶体’的困难在于环境温度需要接近绝对零度。”

加州大学伯克利分校的研究小组成员张翔（Xiang Zhang）院士认为：实验的主要挑战是体系的冷却温度需将离子环处于应有的状态上，但随着离子阱技术的不断提高，可能会在不远的将来实现。此外，理论物理学家弗兰克·维尔切克提到处于工作状态的“时间晶体”可以打造成一台计算机，通过对不同旋转状态的控制，使其处于如0和1两种状态的二进制计数模式。

实现这样的超级机器可能需要重新拟定该体系的组成，比如我们需要获得不同类型的离子，也可能需要若干个晶体环进行相互干扰。弗兰克·维尔切克认为：从以上几点可以试想下按这些规则进行运行的“时间晶体”机器。

然而，在不久的将来应该还不会出现“时间晶体”计算机。弗兰克·维尔切克指出我们原则上所认为的宇宙热寂是充满黑暗和寒冷的时期，因此进行该实验模拟还需要考虑其他问题。根据加州大学伯克利分校李统藏（Tongcang Li）博士介绍：我们现在将焦点集中在实验室中如何创建“时空晶体”，因此需要找出一种方法，使得它们可以在宇宙热寂后继续存在下去。


美国麻省理工学院著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克近日发表最新研究成果称，可做周期性运动的“时间晶体”可能确实存在。相对于普通的三维空间晶体而言，所谓的“时间晶体”是指一种在第四维空间(即时间)也存在周期性重复运行的结构。研究人员认为，这种神奇的结构类似于永动机，处于一种永动状态，但并不违背能量守恒定律。

　　从钻石到雪花等，晶体在自然界非常普遍。这些物质原子整齐地排列，在三维空间上呈周期性重复的图案，让它们形成了非常美丽的外观。这些三维空间的晶体在科技领域也是重要的研究和应用材料。诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克在这项重要研究中认为，自然界可能也存在第四维空间的晶体，即“时间晶体”，也就是在第四维呈周期性重复运动的结构。

　　根据物理学家的观点，一个时间晶体应该是一种自然的物体，它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样，其中的碎片一直在循环往复地旋转形成各种美丽的图案；或者像时钟一样，其时针每12小时完成360度旋转。不过，与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是，时间晶体是在自己的永动机制的支持下实现永远运动，而这种永动机制必须要符合物理学定律。

　　这样的怪异物体令人感到不可思议，难以理解，大多数人此前更是从未想像过。但是，韦尔切克认为，它们可能已经存在于自然界中，或很快将通过工程手段人工合成，而且可能存在多种类型的时间晶体。韦尔切克解释说，“最简单的实现形式就是，某种系统，它的几何学特征让它能够做环形运动，一定时间后又回到原来的位置。某种更复杂的结构，可能就是一组原子，它们在三维空间中做无规律自由运动，但是它们都会周期性地回到自己的始发点。”

　　关于时间晶体的特点，韦尔切克认为，它的运动应该不消耗任何能量，相反，它应该处于一种稳定的最小能量状态，就像钻石和其他传统的晶体一样。即使这样，它仍然是处于一种永动状态。不过，韦尔切克也表示，时间晶体与永动机并不一样，时间晶体并不违背能量守恒定律。“通常情况下，所谓的永动机肯定不会长久，因为它们并不是处于一种基态，它们的能量会随着运动而消耗，最终能量会消耗殆尽。在时间晶体中，能量是守恒的，因为没有任何能量被移走。神奇的是，在这些物体中，能量有自己最小化配置，但是物体中原子的运动速率并非为零。”

　　韦尔切克在论文中辩解称，时间晶体遵循一种被物理学家称为“时间对称破缺”的理论。这种理论就是：无论在空间上你在哪里，还是时间上你在哪里，物理学原理都同样适用。你可以实施一项物理学实验，可以进行某些测试，然后带上这些实验设备转移到任何方向一个任意短距离内的地方，或者在短时间内等待任何时长后再次进行某些实验，在所有这些实验中你应该得到同样的结果。在这种情况下，时间和空间被称为完美对称。韦尔切克的重要观点是，能够打破时间对称性的晶体也是可以存在的。在最近发表的两篇论文中，韦尔切克通过数学方法对其进行了验证。

　　普通的晶体通常都是非完美的。因此，韦尔切克认为，有可能发现或制造出一个非完美的时间晶体，即这个物体可以以一种近圆形方式运动，但是会有轻微的波折，因此在相当长的时间内它会缓慢地辐射出少许能量。不过，韦尔切克也表示，真正的时间晶体可能也存在于自然界中，最有可能先在实验室中实现。

　　由于这种晶体的形成条件过去苛刻，而且很少有人能够理解，因此现在谈论它们的用途还为时尚早。韦尔切克表示，“当前的研究就是去发现理论上的可能性。接下来，如果大自然是仁慈的，而且有幽默感的话，那时间晶体就会很快在某个地方出现。为了帮助那些试图通过实验方式验证的人，我们首先应该为他们提供指导，建议哪些材料最有希望实现。”

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