【諾獎得主Wilczek科普專欄】關于時間晶體的訪談

quantum555 2020-01-13

展開全文

更多精彩視頻登陸網(wǎng)站

www.koushare.com

Frank Wilczek

弗蘭克·維爾切克是麻省理工學院物理學教授、量子色動力學的奠基人之一。因在夸克粒子理論（強作用）方面所取得的成就，他在2004年獲得了諾貝爾物理學獎。

訪談人員 | 吳非（環(huán)球科學，編輯）

Wilczek環(huán)球專訪 來自蔻享學術 00:00 57:16

維爾切克認為，超越標準模型的新理論不會帶來新的技術革命，但是，通過全新或是更加深入的方式理解現(xiàn)有的理論依然能帶來新的技術，這同樣是令人激動的探索。

盡管年近七旬，但弗蘭克·維爾切克依然對世界或者說宇宙充滿好奇--在采訪這位物理大家的過程中，我們能明顯感受到這一點。

正是因為好奇心的驅使，維爾切克在近半個世紀，一直身處物理學的最前沿，探索著宇宙的本質：1973年，維爾切克發(fā)現(xiàn)了漸進自由理論，這個描述夸克間強相互作用的理論成為量子色動力學的基石，維爾切克也因此獲得2004年的諾貝爾物理學獎；后來維爾切克又相繼提出了軸子和任意子的概念；2012年，維爾切克又提出并命名了時間晶體--一種全新的奇特物質狀態(tài)，這一概念在2018年得到了多個實驗的證實。

在維爾切克看來，這些年來，他探索的方向沒有發(fā)生轉變，而是在不斷延伸。從漸進自由理論，到暗物質候選粒子軸子，再到對量子多體物理的深刻洞見，維爾切克還在物理的世界里不斷拓展和創(chuàng)新。時間晶體之后，維爾切克還會給現(xiàn)實世界帶來什么？讓我們一起聽聽他的答案。

以下為采訪文本內容

《環(huán)球科學》：你在本期的封面故事中提到，時間晶體可以用于制造更精準的時鐘。為什么基于時間晶體的時鐘，可以比目前的原子鐘更精準？

維爾切克：我并不是要完全重新造一個更精確的時鐘。原子鐘的精度已經(jīng)非常高了，通過長時間的實踐，人們已經(jīng)對它進行很多改進和提高。因此，我們并不需要重新制造一種時鐘，而是在原子鐘的基礎上進行改進就行了。簡單地說，原子鐘是基于對單個原子的運動非常精細地觀察和調控。我們想做的，是將幾個或者更多的原子制備成一個時間晶體。這樣原子振動的穩(wěn)定性就增強了。

另一種候選方案是，利用約瑟夫森效應來打造非常精確的時鐘。目前，這個類型的時鐘的穩(wěn)定性還不足以與原子鐘媲美，但我們可以想象將多個約瑟夫森結耦合起來形成一個時間晶體。類似地，相比于單個約瑟夫森結，穩(wěn)定性會得到大幅提升。人們正在開展這方面的研究。

《環(huán)球科學》：可以談談時間晶體時鐘的應用場景嗎？

維爾切克：量子計算機需要精確的量子時鐘。計算機包括量子計算機一般都是按照時序完成一系列操作，其中的許多單元需要在同一時間完成多個步驟。所以在設計計算機時，至關重要的一點是它需要確保不同單元能同步工作。因為量子計算機很脆弱，同步會帶來新的問題。由于某種原因，為量子計算機設計合適的高精度時鐘被忽視了。時間晶體或許能在這里幫上忙。

當然，基于時間晶體的時鐘，還是一個剛剛起步的研究領域。目前，科學家還沒有真正造出時間晶體時鐘。我們正在從時間晶體角度重新審視基于約瑟夫森結的時鐘，希望實現(xiàn)進一步的提升。美國國防部高級研究計劃局（DARPA）正在資助時間晶體的研究，希望得到更精確或是更便捷的時鐘，繼而用在GPS或其他場景中。對于時間晶體時鐘今后的發(fā)展，我充滿了期待。

《環(huán)球科學》：除此之外，我們可以期待時間晶體在其他領域的應用嗎？

維爾切克：一個我頗為感興趣的問題是，當電子和光子被嵌在時間晶體中，它們的性質是怎樣的？現(xiàn)在我們知道，在普通晶體中，電子的行為遵循能帶理論，這是理解導體、絕緣體或是半導體間區(qū)別的基礎。這些理論從20世紀30年代慢慢發(fā)展起來的，那時剛剛建立的量子力學為此提供了理論基礎。從晶體的基礎理論，到理解電子在晶體中的行為，再到這些行為的應用，這個過程經(jīng)歷了很長時間，甚至直到今天仍然在進行中。我相信，在研究電子、光子在時間晶體中的行為時，我們可以取得意外的發(fā)現(xiàn)。但目前，我們還處在探索的階段--這是科學，還沒有到工程的階段。

《環(huán)球科學》：除了這些時間晶體，科學家已經(jīng)找到了一些時間準晶體與時間液體，這些發(fā)現(xiàn)的意義是什么，它們有潛在的應用嗎？

維爾切克：是的。時間準晶體在很多方面與時間晶體類似，是時間晶體在有序度上的延伸。對于它們的應用潛力，目前還沒有重要的進展，可能沒有時鐘那么誘人。正如幾年前，普通的空間準晶體被發(fā)現(xiàn)時引起了轟動，但到現(xiàn)在它仍未實現(xiàn)重要應用。對時間準晶體感興趣的主要也是理論物理學家。目前看來，時間準晶體更多的是證明自然的創(chuàng)造性。

《環(huán)球科學》：2004年時，你因為量子色動力學與漸近自由理論得諾貝爾物理學獎。現(xiàn)在，你仍然在參與該理論的進一步發(fā)展嗎？

維爾切克：我仍在關注的是色超導理論（color superconductivity）。色超導是指強相互作用的高密度物質的超導特性，因此該理論有可能在研究中子星內部時有所幫助。（中子星內部可能由致密的中子構成。）我從量子色動力學起步，后來又研究了凝聚態(tài)物理，研究色超導是將兩者結合起來。這是一個很漂亮的理論。但除此之外，我有一段時間沒有活躍在這個領域中了。我喜歡那些不成熟的課題，而量子色動力學已經(jīng)有足夠多的人去研究，研究量子色動力學的計算手段也已經(jīng)非常強大。

目前，量子色動力學的研究集中在兩個領域。一類叫微擾量子色動力學，主要研究在對撞機等中高能粒子的行為。對撞機中的現(xiàn)象主要和量子色動力學有關，因此要發(fā)現(xiàn)新的物理定律，科學家需要準確利用量子色動力學預測實驗的結果并和實驗結果比較。另一個分支是研究量子色動力學的低能性質，例如計算質子、中子、介子等的質量，以及強相互作用粒子的弱衰變速率。

對于這兩個分支的研究，都需要非常專業(yè)的計算手段和工具，以及非常先進的超級計算機，而相關從業(yè)者的培養(yǎng)已經(jīng)是一個非常專業(yè)化、細分的產(chǎn)業(yè)了。我已經(jīng)被這些發(fā)展遠遠甩開了，我不會做這些計算，他們也不需要我，已經(jīng)有很多人在做相關的計算。當然，量子色動力學仍然面臨著挑戰(zhàn)。對我而言，最大的挑戰(zhàn)就是通過該理論去計算中子星的性質。利用量子電動力學和初級的核物理理論，我們對普通的恒星有很好的理解，希望我們對中子星的理解也能達到相當?shù)乃健，F(xiàn)在對中子星的理解只能算是半定量的。這很重要，通過引力波等探測手段，天文學家對中子星會有更精確的了解，理論計算必須跟上。量非常大，量子計算方面的發(fā)展非常有可能對這些計算有幫助。我現(xiàn)在對量子計算的研究非常有可能回過頭來推進量子色動力學的研究。

《環(huán)球科學》：從量子色動力學到時間晶體，可以說你的研究方向發(fā)生了轉變嗎？

維爾切克：我只是在延伸我的研究，改變研究的測重點。例如，在我的研究早期，我就從量子色動力學延伸出去，考慮這個理論在宇宙學中的意義。隨后，我對應用我們在量子場理論提出的概念產(chǎn)生了興趣，因為它可以幫助理解物質在低溫下的性質。在這些不同的事物之間，存在著緊密的聯(lián)系。這也驅使我在開始重視技術的發(fā)展，重新去思考量子力學最根本的問題，嘗試完全揭開這個理論的潛力。

現(xiàn)代物理學很美妙的一點是，所有思想都是相關聯(lián)的。對我來說，并不是說放棄了此前的研究方向，而是在其基礎上，將這些理論用于解決其他問題。

《環(huán)球科學》：近些年來，你也參與了暗物質粒子的搜尋。在之前的一篇專欄文章中，你曾提到軸子（暗物質候選粒子之一）是接下來比較值得期待的物理學突破?？梢越榻B這方面的進展嗎？

維爾切克：還沒取得大的突破，我們預計軸子提供了暗物質背景，但是我們還沒有觀察到軸子。但是，我們已經(jīng)有了一些階段性的發(fā)現(xiàn)，為進一步突破提供了基礎。設計了用于探測軸子信號的特殊天線，從設計角度可能非常強大，人們正在建造它們。達到目標靈敏度將是個挑戰(zhàn)，但至少目前看來，沒有理論概念上的障礙。就我個人而言，一個重要的突破是我和合作者設計了一種等離子體鏡（plasma haloscope）。這個裝置使得我們可以在很有意義趣的參數(shù)區(qū)域探測空間背景中的軸子。

目前，為了尋找軸子，全球有超過10個研究機構正在開展合作，開展一些雄心勃勃的實驗。這些實驗的難度很大，因為軸子與普通物質的相互作用很微弱。這也是為什么軸子是暗物質的候選者之一。但好在，理論已經(jīng)對軸子的范圍做出了限定，因此我們可以設計天線進行搜尋。這是當前非常熱門的領域，每年都會舉辦大型學術會議，數(shù)百名研究者共同參與軸子的討論。

《環(huán)球科學》：在你看來，暗物質粒子的搜尋，需要用到大型實驗裝置嗎？

維爾切克：如果暗物質是軸子，那么搜尋的裝置不需要像LHC這么龐大，也沒有尋找其他暗物質候選粒子的探測器大。如果暗物質是弱相互作用大質量粒子（WIMP），需要用到大量氙，尤其是液態(tài)氙，來監(jiān)測WIMP產(chǎn)生的微小擾動。這需要用到大量材料、設計實驗裝置。除了軸子和WIMP，也有人提出其他候選粒子，但離開了這兩者，事情就變得更加不確定。人們不會支持耗資巨大的行動，因為不知道要找的是什么粒子，這時你沒辦法設計天線，或是液氙探測器。要建造合適的探測器是很難的。

現(xiàn)在，對軸子、WIMP的搜索已經(jīng)成為很嚴肅的大科學項目。這些努力可能為我們確定暗物質是什么。如果不能，我們需要找到其他方式。但你知道，經(jīng)歷了數(shù)十年的研究，這兩種候選粒子脫穎而出。我對此感到樂觀：我們有希望在10年內找到答案。當然，沒有誰能夠真正作出保證。

《環(huán)球科學》：在這些基礎物理研究之外，你還會關注哪些科學問題？

維爾切克：目前，我對量子信息、量子計算非常感興趣。在這兩個領域，一場革命正在進行。人們正在從多方面利用量子力學探索操控自然的方式。我們知道很多公式，但如何聰明地使用這些公式，需要創(chuàng)造力。我很感興趣的是，如何在量子理論中理解時間，新的涉及時間的物質形式，時間晶體就是一個案例子，但只是這個大方向的一方面。我們正在探索利用量子力學設計新的更強大的計算方式。

在量子計算機領域有很多進展，但還處于襁褓早階段。（在這個領域）可能會有出現(xiàn)非?；镜A的概念革命性想法，它會徹底改變現(xiàn)狀，就像是計算機從最初的算盤發(fā)展到電子管，再到集成電路。這是我正在思考的問題。我也非常樂意研究一些有趣的小問題，我總是在尋找新的機會。我剛剛提及的涉及進一步理解時間是如何進入量子力學的。我依然在進一步發(fā)展我以前的理論，比如軸子、時間晶體、任意子、固體中的呈展現(xiàn)象。我正沉浸在研究的樂趣中。在我不是特別長的研究生涯中，有些時候有很多新想法，有些時候進展比較緩慢。我現(xiàn)在絕對處于一個研究的高潮。

《環(huán)球科學》：在最基本的層面上，可以說是物理學的進步在推動人類文明的發(fā)展，比如相對論、量子理論，都極大改變了現(xiàn)代社會，你認為在未來還會出現(xiàn)這樣偉大的基礎理論嗎？

維爾切克：對于社會生產(chǎn)中遇到的工程、經(jīng)濟等問題，我認為，現(xiàn)有的針對關于普通物質的基本物理定律是足以解決的。但我們也看到，距離上一次對技術產(chǎn)生重大影響的基本物理原理出現(xiàn)，已經(jīng)過了很久。最近幾十年，是什么驅動了新興科技的發(fā)展？不是發(fā)現(xiàn)新的基本定律準則，而是對這些現(xiàn)有定律新的處理與應用。我們看到，量子力學的應用領域非?；钴S，從打造功能更強大的時鐘，到現(xiàn)代生活中的計算機、手機……如果沒有對量子力學以及光和物質的深入理解，這些突破都不可能出現(xiàn)。

今后是否會出現(xiàn)這樣的基本礎理論，我認為這取決于對基本的定義。如果“基本”是指超越現(xiàn)有的標準模型預測的新定律，我認為這（即會帶來技術革命的新基本理論，編輯注）不會發(fā)生。但我認為，我們可以通過全新或是更加深入的方式理解現(xiàn)有的理論，并加以創(chuàng)造性的應用（會帶來更多新技術）。這其實正在發(fā)生，是令人激動的探索冒險。