DARPA斥資研究「時間晶體」，為研發更精確的原子鐘做準備

近期，美國國防部高級研究計劃局（DARPA）宣布將資助研究時間晶體項目。什麼是「時間晶體」,難道真是把時間凝固結晶嗎? 「時間晶體」又有什麼用呢?

2012 年初，「時間晶體」的理論由諾貝爾物理學獎得主麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）提出。

「時間晶體」是一個新物質，若不是維爾澤克將它提出來，我們也不會知道還有這種東西。

生活中的晶體有很多，比如鑽石、雪花、水晶等等。隨著溫度的不同，水具有氣態、液態、固態三種不同的形態。

之所以各種狀態有這麼大的區別，是因為隨著溫度的降低，水分子的運動越來越慢，在冰點之下就自發地凝結起來了，形成了周期性的有序結構。

根據愛因斯坦的理論，我們還知道，世界不是三維，而是思維，那個維度就是時間。

由此便引發了一個思考：我們生活周圍有這麼多在三維空間上結晶的晶體，那麼，是不是也存在著在時間上結晶的晶體呢？

就這樣，維爾澤克發現了「時間晶體」，他認為「時間晶體」是一種四維晶體，在時空中擁有一種周期性結構。

可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。

它有一個特性和時鐘十分類似，就是雖然會隨著時間改變而變化，但是最終還會回到它的初始狀態。它在時間和空間上都有周期性。

但是，與普通的鐘或者其他周期性的過程不同的是，「時間晶體」和「空間晶體」一樣會是最低限度的能量的一種狀態。

這句話有些抽象，我們不妨這樣理解一下。我們所見的時鐘之所以能轉動，是因為上了發條，或是安裝了電池，所以它運動都不是自發的，需要外界輸入能量才能維持。

對於手錶這類系統來說，運動的能量總是比靜止時要高。所以總會發生能量耗散，最終系統停止在能量最低的狀態。

而「時間晶體」是一個封閉的系統，無需外加的周期性驅動。這個系統相當特殊，因為它運動的時候消耗的能量比靜止還低，所以說它是不會停止的，一直旋轉。

「時間晶體」系統會自發的出現周期性的運動，這被稱為時間上的自發對稱性破缺。

根據它的特性，我們給「時間晶體」起了個外號：「永遠運動的系統」。難道就是傳說中的永動機？

兩者之間還是存在差別的，因為「時間晶體」運動雖然不需要外部能量輸入，但它也不能在不改變自身運動狀態的情況下向外界輸出能量。

對於這麼一個新奇陌生的產物，維爾澤克是抱有很大期望的。他認為未來會有一天，人類可以對時空晶體進行編程，把大腦意識上傳到「時空晶體」中，做成時光膠囊。

這樣人們就可以把生活中的美好回憶存進膠囊，讓大腦不斷重演那些最美妙的瞬間。擁有了這樣的時光膠囊，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，那些美妙的情感仍舊永存。

說了半天，「時間晶體」在現實生活中存在嗎？就在去年，有兩支美國團隊以不同方式造出了「時間晶體」。

馬里蘭大學的團隊將 10 個鐿原子排成一列，然後用兩束激光交替轟擊它們，使得這些原子進入一種穩定且重複的自旋翻轉模式，符合「時間晶體」的定義。

另一個來自哈佛大學的研究團隊則通過向鑽石中密集充入氮氣的方式，也製造出了「時間晶體」。

由於「時間晶體」是一種非常新穎的物質形態，由於理論上非平衡態物質具有絕佳的存儲能力，這方面成果或許可用於開發量子計算機。

大概理解了「時間晶體」是什麼東西，咱們回過頭來說說 DARPA 準備資助的這個項目。DARPA 是想利用「時間晶體」讓原子鐘更準確，用起來更便捷。

問題又來了，什麼是原子鐘？人們平時所用的鐘錶，精度高的大約每年會有 1 分鐘的誤差，這對日常生活是沒有影響的，但在要求很高的生產、科研中就需要更準確的計時工具。

目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘，它是 20 世紀 50 年代出現的。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波來計時的。

由於這種電磁波非常穩定，再加上利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時就可以非常準確了。

原子鐘的精度可以達到每 100 萬年才誤差 1 秒。這為天文、航海、宇宙航行提供了強有力的保障。

但是，原子鐘使用時存在局限性，它容易受到外界干擾，而且需要將原子冷卻到接近絕對零度。

另一方面，現在科學界研發出的原子鐘精確度不足以探索量子力學和萬有引力之間的相互作用。

所以，DARPA 想要藉助「時間晶體」來改善這一狀況。「時間晶體」屬於非平衡態。而非平衡態系統能夠很好的抵抗外界的干擾。

常見的許多物質都是平衡態物質，比如金屬和絕緣體，它們在不受外界影響時，結構等特徵不會隨時間而變化。

非平衡態是指系統中狀態變數不是常量的定常狀態。定常狀態指系統從初始狀態開始隨時間演進而進入的終態。

非平衡態就是除平衡態以外的定常狀態,包括周期運動狀態（即振蕩態）、概周期狀態（即遍歷態）以及混沌態。

DARPA 是想看看這種非平衡態的「時間晶體」是不是可以把原子鐘帶出實驗室，真正用于軍事中，比如勘探地洞等軍事用途。

但目前為止，DARPA 還沒有給出具體操作方法，也未公布會為這個項目資助多少錢。DARPA 總是在搞一些新奇的研究。

DARPA 曾研究過移動熱點，將從戰場中退役的就無人機加以改造，成為控制的移動熱點，讓位於野外且各部隊之間相距遙遠的軍隊，維持聯繫，獲得安全、持久且高速的無限鏈接。

DARPA 還研究透明盔甲，它由疊層的陶瓷、玻璃以及聚合物做成，僅 6 厘米厚，可以抵擋 7.62 毫米子彈的多次攻擊。陶瓷水晶般的結構有助於預防盔甲不被第一次射擊擊碎，是戰略車輛窗戶玻璃的理想選擇。

在基於力學的模型指導下，DARPA 研發具有超級力學特性的材料，並將這種材料用於新奇的防射擊或爆炸護甲系統中。

他們還在研發一種層級結構，它可以讓穿戴者在高密集的底部爆炸情況下（比如車輛底部安置炸彈爆炸），生存下來。這些研究旨在讓可以抵抗各種武器綜合性威脅的新型輕便盔甲成為現實。

除了這些之外，還有光優化內嵌微處理器，旨在通過研發晶元大小的集成光技術，使以低能量/比特提供所要求帶寬、晶元內和晶元外的無縫光通信。

從而克服電子通信連接的局限性。這種技術特別適用于軍方，通常，軍方平台小、重量輕和能量少，但是，卻需要有極致的功能效果。

[1]:https://www.sciencealert.com/why-is-darpa-funding-time-crystal-research

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！