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诺奖得主:关于时间晶体的访谈

 
访谈人员 | 吴非(环球科学编辑)
 
维尔切克认为,超越标准模型的新理论不会带来新的技术革命,但是,通过全新或是更加深入的方式理解现有的理论依然能带来新的技术,这同样是令人激动的探索。
 
尽管年近七旬,但弗兰克·维尔切克依然对世界或者说宇宙充满好奇--在采访这位物理大家的过程中,我们能明显感受到这一点。
 
正是因为好奇心的驱使,维尔切克在近半个世纪,一直身处物理学的最前沿,探索着宇宙的本质:1973年,维尔切克发现了渐进自由理论,这个描述夸克间强相互作用的理论成为量子色动力学的基石,维尔切克也因此获得2004年的诺贝尔物理学奖;后来维尔切克又相继提出了轴子和任意子的概念;2012年,维尔切克又提出并命名了时间晶体——一种全新的奇特物质状态,这一概念在2018年得到了多个实验的证实。
 
在维尔切克看来,这些年来,他探索的方向没有发生转变,而是在不断延伸。从渐进自由理论,到暗物质候选粒子轴子,再到对量子多体物理的深刻洞见,维尔切克还在物理的世界里不断拓展和创新。时间晶体之后,维尔切克还会给现实世界带来什么?让我们一起听听他的答案。
 
以下为采访内容:
 
《环球科学》:你在本期的封面故事中提到,时间晶体可以用于制造更精准的时钟。为什么基于时间晶体的时钟,可以比目前的原子钟更精准?
 
维尔切克:我并不是要完全重新造一个更精确的时钟。原子钟的精度已经非常高了,通过长时间的实践,人们已经对它进行很多改进和提高。因此,我们并不需要重新制造一种时钟,而是在原子钟的基础上进行改进就行了。简单地说,原子钟是基于对单个原子的运动非常精细地观察和调控。我们想做的,是将几个或者更多的原子制备成一个时间晶体。这样原子振动的稳定性就增强了。
 
另一种候选方案是,利用约瑟夫森效应来打造非常精确的时钟。目前,这个类型的时钟的稳定性还不足以与原子钟媲美,但我们可以想象将多个约瑟夫森结耦合起来形成一个时间晶体。类似地,相比于单个约瑟夫森结,稳定性会得到大幅提升。人们正在开展这方面的研究。
 
《环球科学》:可以谈谈时间晶体时钟的应用场景吗?
 
维尔切克:量子计算机需要精确的量子时钟。计算机包括量子计算机一般都是按照时序完成一系列操作,其中的许多单元需要在同一时间完成多个步骤。所以在设计计算机时,至关重要的一点是它需要确保不同单元能同步工作。因为量子计算机很脆弱,同步会带来新的问题。由于某种原因,为量子计算机设计合适的高精度时钟被忽视了。时间晶体或许能在这里帮上忙。
 
当然,基于时间晶体的时钟,还是一个刚刚起步的研究领域。目前,科学家还没有真正造出时间晶体时钟。我们正在从时间晶体角度重新审视基于约瑟夫森结的时钟,希望实现进一步的提升。美国国防部高级研究计划局(DARPA)正在资助时间晶体的研究,希望得到更精确或是更便捷的时钟,继而用在GPS或其他场景中。对于时间晶体时钟今后的发展,我充满了期待。
 
《环球科学》:除此之外,我们可以期待时间晶体在其他领域的应用吗?
 
维尔切克:一个我颇为感兴趣的问题是,当电子和光子被嵌在时间晶体中,它们的性质是怎样的?现在我们知道,在普通晶体中,电子的行为遵循能带理论,这是理解导体、绝缘体或是半导体间区别的基础。这些理论从20世纪30年代慢慢发展起来的,那时刚刚建立的量子力学为此提供了理论基础。从晶体的基础理论,到理解电子在晶体中的行为,再到这些行为的应用,这个过程经历了很长时间,甚至直到今天仍然在进行中。我相信,在研究电子、光子在时间晶体中的行为时,我们可以取得意外的发现。但目前,我们还处在探索的阶段——这是科学,还没有到工程的阶段。
 
《环球科学》:除了这些时间晶体,科学家已经找到了一些时间准晶体与时间液体,这些发现的意义是什么,它们有潜在的应用吗?
 
维尔切克:是的。时间准晶体在很多方面与时间晶体类似,是时间晶体在有序度上的延伸。对于它们的应用潜力,目前还没有重要的进展,可能没有时钟那么诱人。正如几年前,普通的空间准晶体被发现时引起了轰动,但到现在它仍未实现重要应用。对时间准晶体感兴趣的主要也是理论物理学家。目前看来,时间准晶体更多的是证明自然的创造性。
 
《环球科学》:2004年时,你因为量子色动力学与渐近自由理论得诺贝尔物理学奖。现在,你仍然在参与该理论的进一步发展吗?
 
维尔切克:我仍在关注的是色超导理论(color superconductivity)。色超导是指强相互作用的高密度物质的超导特性,因此该理论有可能在研究中子星内部时有所帮助。(中子星内部可能由致密的中子构成。)我从量子色动力学起步,后来又研究了凝聚态物理,研究色超导是将两者结合起来。这是一个很漂亮的理论。但除此之外,我有一段时间没有活跃在这个领域中了。我喜欢那些不成熟的课题,而量子色动力学已经有足够多的人去研究,研究量子色动力学的计算手段也已经非常强大。
 
目前,量子色动力学的研究集中在两个领域。一类叫微扰量子色动力学,主要研究在对撞机等中高能粒子的行为。对撞机中的现象主要和量子色动力学有关,因此要发现新的物理定律,科学家需要准确利用量子色动力学预测实验的结果并和实验结果比较。另一个分支是研究量子色动力学的低能性质,例如计算质子、中子、介子等的质量,以及强相互作用粒子的弱衰变速率。
 
对于这两个分支的研究,都需要非常专业的计算手段和工具,以及非常先进的超级计算机,而相关从业者的培养已经是一个非常专业化、细分的产业了。我已经被这些发展远远甩开了,我不会做这些计算,他们也不需要我,已经有很多人在做相关的计算。当然,量子色动力学仍然面临着挑战。对我而言,最大的挑战就是通过该理论去计算中子星的性质。利用量子电动力学和初级的核物理理论,我们对普通的恒星有很好的理解,希望我们对中子星的理解也能达到相当的水平。现在对中子星的理解只能算是半定量的。这很重要,通过引力波等探测手段,天文学家对中子星会有更精确的了解,理论计算必须跟上。量非常大,量子计算方面的发展非常有可能对这些计算有帮助。我现在对量子计算的研究非常有可能回过头来推进量子色动力学的研究。
 
《环球科学》:从量子色动力学到时间晶体,可以说你的研究方向发生了转变吗?
 
维尔切克:我只是在延伸我的研究,改变研究的测重点。例如,在我的研究早期,我就从量子色动力学延伸出去,考虑这个理论在宇宙学中的意义。随后,我对应用我们在量子场理论提出的概念产生了兴趣,因为它可以帮助理解物质在低温下的性质。在这些不同的事物之间,存在着紧密的联系。这也驱使我在开始重视技术的发展,重新去思考量子力学最根本的问题,尝试完全揭开这个理论的潜力。
 
现代物理学很美妙的一点是,所有思想都是相关联的。对我来说,并不是说放弃了此前的研究方向,而是在其基础上,将这些理论用于解决其他问题。
 
《环球科学》:近些年来,你也参与了暗物质粒子的搜寻。在之前的一篇专栏文章中,你曾提到轴子(暗物质候选粒子之一)是接下来比较值得期待的物理学突破。可以介绍这方面的进展吗?
 
维尔切克:还没取得大的突破,我们预计轴子提供了暗物质背景,但是我们还没有观察到轴子。但是,我们已经有了一些阶段性的发现,为进一步突破提供了基础。设计了用于探测轴子信号的特殊天线,从设计角度可能非常强大,人们正在建造它们。达到目标灵敏度将是个挑战,但至少目前看来,没有理论概念上的障碍。就我个人而言,一个重要的突破是我和合作者设计了一种等离子体镜(plasma haloscope)。这个装置使得我们可以在很有意义趣的参数区域探测空间背景中的轴子。
 
目前,为了寻找轴子,全球有超过10个研究机构正在开展合作,开展一些雄心勃勃的实验。这些实验的难度很大,因为轴子与普通物质的相互作用很微弱。这也是为什么轴子是暗物质的候选者之一。但好在,理论已经对轴子的范围做出了限定,因此我们可以设计天线进行搜寻。这是当前非常热门的领域,每年都会举办大型学术会议,数百名研究者共同参与轴子的讨论。
 
《环球科学》:在你看来,暗物质粒子的搜寻,需要用到大型实验装置吗?
 
维尔切克:如果暗物质是轴子,那么搜寻的装置不需要像LHC这么庞大,也没有寻找其他暗物质候选粒子的探测器大。如果暗物质是弱相互作用大质量粒子(WIMP),需要用到大量氙,尤其是液态氙,来监测WIMP产生的微小扰动。这需要用到大量材料、设计实验装置。除了轴子和WIMP,也有人提出其他候选粒子,但离开了这两者,事情就变得更加不确定。人们不会支持耗资巨大的行动,因为不知道要找的是什么粒子,这时你没办法设计天线,或是液氙探测器。要建造合适的探测器是很难的。
 
现在,对轴子、WIMP的搜索已经成为很严肃的大科学项目。这些努力可能为我们确定暗物质是什么。如果不能,我们需要找到其他方式。但你知道,经历了数十年的研究,这两种候选粒子脱颖而出。我对此感到乐观:我们有希望在10年内找到答案。当然,没有谁能够真正作出保证。
 
《环球科学》:在这些基础物理研究之外,你还会关注哪些科学问题?
 
维尔切克:目前,我对量子信息、量子计算非常感兴趣。在这两个领域,一场革命正在进行。人们正在从多方面利用量子力学探索操控自然的方式。我们知道很多公式,但如何聪明地使用这些公式,需要创造力。我很感兴趣的是,如何在量子理论中理解时间,新的涉及时间的物质形式,时间晶体就是一个案例子,但只是这个大方向的一方面。我们正在探索利用量子力学设计新的更强大的计算方式。
 
在量子计算机领域有很多进展,但还处于襁褓早阶段。(在这个领域)可能会有出现非常基本础的概念革命性想法,它会彻底改变现状,就像是计算机从最初的算盘发展到电子管,再到集成电路。这是我正在思考的问题。我也非常乐意研究一些有趣的小问题,我总是在寻找新的机会。我刚刚提及的涉及进一步理解时间是如何进入量子力学的。我依然在进一步发展我以前的理论,比如轴子、时间晶体、任意子、固体中的呈展现象。我正沉浸在研究的乐趣中。在我不是特别长的研究生涯中,有些时候有很多新想法,有些时候进展比较缓慢。我现在绝对处于一个研究的高潮。
 
《环球科学》:在最基本的层面上,可以说是物理学的进步在推动人类文明的发展,比如相对论、量子理论,都极大改变了现代社会,你认为在未来还会出现这样伟大的基础理论吗?
 
维尔切克:对于社会生产中遇到的工程、经济等问题,我认为,现有的针对关于普通物质的基本物理定律是足以解决的。但我们也看到,距离上一次对技术产生重大影响的基本物理原理出现,已经过了很久。最近几十年,是什么驱动了新兴科技的发展?不是发现新的基本定律准则,而是对这些现有定律新的处理与应用。我们看到,量子力学的应用领域非常活跃,从打造功能更强大的时钟,到现代生活中的计算机、手机……如果没有对量子力学以及光和物质的深入理解,这些突破都不可能出现。
 
今后是否会出现这样的基本础理论,我认为这取决于对基本的定义。如果“基本”是指超越现有的标准模型预测的新定律,我认为这(即会带来技术革命的新基本理论,编辑注)不会发生。但我认为,我们可以通过全新或是更加深入的方式理解现有的理论,并加以创造性的应用(会带来更多新技术)。这其实正在发生,是令人激动的探索冒险。
 
本文经授权转载自微信公众号「蔻享学术」。



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