古典时间晶体

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晶体的概念是啥

晶体的概念是啥

晶体的概念是啥晶体是指具有一定空间排列和周期性的原子、离子或分子集合体,它们在固体状态下呈现出有序的结构。

晶体是固体中最基本的结构单位,其晶体结构的有序性是形成晶体的重要特征。

晶体的概念最早由斯托尼斯(Haüy)于18世纪末提出,他将晶体定义为具有层状结构的固体。

随后,发展出了现代晶体学,对晶体的研究有了更为深入的认识。

现代晶体学从晶体的结构和性质出发,研究晶体内部原子、离子或分子的排列方式,以及晶体与外界的相互作用。

晶体的结构具有三个基本特征:周期性、对称性和有序性。

晶体的周期性体现在晶格结构的重复性规律上,晶格是由一定数目的排列有序的“点”组成的三维结构。

晶格中的“点”被称为格点,它们代表着晶体原子、离子或分子的位置。

晶格的周期性使得晶体在宏观上具有各向同性,即不论从任何方向观察,晶体的性质都是相同的。

晶体的对称性指的是晶体结构在某一操作下保持不变,这些对称操作包括旋转、反射和平移等。

晶体的有序性则是指晶格上的原子、离子或分子排列有一定的规则,形成特定的晶体结构。

根据晶体的原子、离子或分子的排列方式,晶体可以分为几种基本类型。

最简单的是原子晶体,其中晶格上只有单个原子,例如金属中的众多晶体。

离子晶体则由阳离子和阴离子以离子键相互结合而成,如盐类晶体。

分子晶体则由分子以分子键相互结合形成的晶体,如冰晶体。

此外,还有复合晶体、聚合物晶体等多种类型的晶体。

晶体的结构对其性质起着决定性的作用。

晶体的物理性质包括晶格常数、密度、硬度、熔点等,这些性质取决于晶格结构的特征。

晶体的光学性质也与晶体结构密切相关,例如光的偏振、双折射等现象。

晶体的电学性质也具有很高的研究价值,例如电导率、电介质性能等。

此外,晶体还具有磁性、热传导等特殊性质。

晶体的研究对于物质科学、材料科学以及许多其他领域都具有重要意义。

通过研究晶体的结构和性质,可以揭示物质内部的微观世界,为制备新材料、改进材料性能提供理论和实验基础。

晶体的周期性名词解释

晶体的周期性名词解释

晶体的周期性名词解释晶体是物质的一种状态,其内部结构呈现高度有序的排列。

晶体由大量原子、离子或分子按照一定的规律组织而成,其周期性结构是晶体的一个重要特征。

本文将从晶体周期性、晶格、晶胞和晶系四个方面进行解释。

晶体周期性晶体的周期性是指晶体内部的结构和性质在空间上重复出现的规律性。

通过观察晶体,我们可以发现一系列重复的结构单元,这些结构单元被称为晶胞。

晶体周期性的存在使得物质的一些性质如电导率、热导率和光学性质等呈现出明显的规律性。

晶格晶格是晶体内部的一个空间排列,描述了晶体原子、离子或分子的有序性和周期性。

晶格的基本单位是晶胞,晶胞中的原子、离子或分子按照一定的规则排列。

晶格具有三个独立参数,分别是晶胞的边长a、b、c,以及三个晶胞之间的夹角α、β、γ。

通过调整这些参数的数值,可以获得不同的晶格结构。

晶胞晶胞是晶体中的最小重复单元。

晶体的周期性结构可以通过晶胞来描述。

晶胞通常由一组原子、离子或分子构成,并按照一定的几何规则排列。

晶胞的形状可以是立方体、四面体、六面体等各种多边形。

晶体的性质和结构可以通过晶胞内的原子、离子或分子的位置和类型来确定。

晶系晶系是描述晶体内部结构的一个分类系统。

根据晶胞的几何形状和晶格参数的数值关系,可以将晶体分为七个晶系:立方晶系、四方晶系、正交晶系、单斜晶系、菱方晶系、三斜晶系和六角晶系。

不同的晶系具有不同的晶胞形状和晶胞参数,这决定了晶体的对称性和性质。

总结晶体的周期性是晶体结构和性质规律性的基础,晶格、晶胞和晶系是解释晶体周期性的重要概念。

晶胞是晶体内部最小重复单元,晶胞的几何形状和晶格参数的数值关系决定了晶体的对称性和性质。

晶系则是对晶体进行分类的系统,根据晶胞的几何形状和晶格参数的数值关系将晶体分为七个晶系。

通过深入理解晶体周期性名词的解释,我们可以更好地认识晶体的结构和性质。

晶体学作为一门重要的学科,不仅在材料科学、固体物理等领域具有广泛的应用,还为我们认识自然界中的多种物质提供了有力的工具和方法。

时间晶体资料分析.doc

时间晶体资料分析.doc

一、时间晶体这个听起来科幻感满满的东西可能真的存在。

如果时间结晶仅仅打破了自发性对称,它们则不是自然中第一个吃螃蟹的。

比如,在磁铁中对称性就被打破了,因为它可以自发“选择”哪一头是北极,哪一头是南极。

然而这并没有打破物理法则本身的对称性,仅仅代表物理法则没有决定具体要发生的事情。

普通的晶体也会自发性打破对称,虽然这些对称都存在于自然中,并没有延伸到时间维度里。

人类还从未观察过自发性打破时间平移对称的情况,但是如果真的观察到,时间晶体应该是最有可能发生的地方。

为了证明这一可能性,研究者们进行了一系列模拟,使得时间平移对称性发生自发性破缺可以在不打破任何基础物理法则的情况下发生,比如热力学定律。

所以时间晶体是有可能在自然中存在的,至少从数学角度上说不是不可能。

所以下一步的任务就是试图造出一个时间晶体,这也是Wilczek团队开始筹划的事情。

他们设想了一个被俘获的原子、离子或者超导量子比特的大型系统来制造时间晶体。

如果他们能够成功,这将是一个震惊世界的突破。

二、时间晶体究竟只是一种数学上的假设、还是真的存在呢?自打诺贝尔得主弗朗克·韦尔切克(Frank Wilczek )于2012年首次提出时间晶体这一概念以来,物理学家就一直在这个问题上争论不休。

韦尔切克称,这些假想中的晶体可以呈现出周期性的运动状态,如在低能量状态(又称基态)下沿着环形轨道运动等。

而从理论上来说,处于基态的物体所具备的能量是根本不够让其运动起来的。

在他提出该理念之后的几年中,其他物理学家纷纷给出了时间晶体不可能存在的理由,大多数物理学家似乎认为,由于时间晶体的性质太过古怪,因此不可能存在于实际当中。

虽然时间晶体无法用来产生有用的能量(因为它们一旦受到扰动,就会停止运行),而且并不违背热力学第二定律,但它们的确与物理学中一项基础的对称性相悖。

不过,来自加州大学圣芭芭拉分校(UCSB)和微软Station Q实验室的研究人员在一篇最新发表的论文中提出,时间晶体有可能真正存在。

“时间晶体” 永动机

“时间晶体” 永动机

诺奖得主发现“时间晶体”永动机或可真实存在2012-03-01 09:20:44 来源: 网易探索有6788人参与手机看新闻(0)物理学家探索了这样一个概念:冷态的物质最终可以形成重复的模式。

“永动机”这个词--从十九世界中期开始,科学家们就嘲笑这个概念。

“诺贝尔物理学获奖者” Frank Wilczek似乎和这个概念无关,但是如果Wilczek关于对称性和时间的本质的最新观点正确的话,科学家们就会提出:虽然永远都没有能量输出的,但是永动机可以真实存在。

Frank Wilczek提出:物质可以形成一个“时间晶体”,它的结构可以随着一个普通的晶体进行周期性的重复,但是这种重复是发生在时间上而不是空间上。

这样的晶体将会代表物质未知的一种状态,这种物质的状态可能在早期宇宙冷却,失去原始的对称性的时候出现过。

加州技术研究所的宇宙学家Sean Carroll 说:“这些论文本身就完全受人尊敬,而且毋庸置疑的正确和有趣。

”Wilczek是麻省理工学院的一名教授,因他在发展中的量子色动力学中的开创性的工作而闻名。

量子色动力学解释原子核内部的粒子怎么联合在一起。

他说他最新的观点是来源于两年前当他教群论的一堂课上。

群论是数学的分支,用矩阵来描述基本粒子们的内在对称性和对晶体进行分类。

处于平衡状态的液体或气体,是由均匀分布的粒子构成的,呈现出完美的空间对称性--它们看起来每个地方,每个方向上都一样。

在处于能量非常低或最低的时候,大多数物质不能保持对称性,而会结晶。

晶体的规则几何形状缺少完整的空间对称性;结构不会处处相同。

因为晶体在能量非常低的时候,它的对称性减少了,物理学家说,这些晶体出现自发对称性破坏。

在许多物理领域里也发生相同的过程。

一种对称性的破坏,可以由希格斯玻色子指示出来。

希格斯玻色子在大型强子对撞机里被捕获,可以用来解释亚原子粒子为什么有质量。

Wilczek 说他开始思考普通的三维晶体通过增加额外的一个时间维度变成四维晶体的概念。

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史

固体物理学发展简史1.古代至中世纪:固体物理学的发展可以追溯到古埃及和古希腊时期。

古埃及人使用石头和金属材料制作工具和武器,这涉及对固体的性质和行为的基本了解。

古希腊哲学家亚里士多德提出了物质是由四个元素(地、火、水、气)构成的理论,这为后来对固体物质的研究奠定了基础。

在中世纪,阿拉伯科学家发展了一些光学和声学的基础理论,这进一步推动了对固体行为的理解。

2.17世纪:在17世纪,英国科学家罗伯特·虎克首次提出了固体的弹性性质。

他的实验表明,固体材料在受力后会发生形变,并且在去除力后会恢复到原来的形状。

这是对固体物理学的第一个定量描述。

3.18世纪:18世纪是固体物理学得到进一步发展的时期。

热学在固体物理学研究中发挥了重要作用。

1759年,英国科学家约瑟夫·布莱克发现了电导热的现象,他的实验奠定了对固体材料导热性质的基础理论。

同时,固体材料的磁性也引起了科学家们的兴趣,并逐渐形成了磁性材料研究的分支领域。

4.19世纪:19世纪是固体物理学发展的关键时期。

其中,热力学和电磁学成为固体物理学的重要研究方向。

斯特恩发现了热胀冷缩现象,建立了温度和体积之间的关系。

这为后来材料热膨胀性质的研究提供了基础。

在电磁学方面,麦克斯韦提出了电磁波的理论,并且实验验证了光是一种电磁波。

这促使科学家们对固体材料的光学性质进行了深入研究。

其中,光散射理论的发展为衍射和散射现象提供了理论解释。

5.20世纪:20世纪是固体物理学发展的黄金时期。

量子力学的发展极大推动了固体物理学的研究。

1926年,斯伯杰和弗兰克提出了能带理论,解释了固体材料中电子的行为。

量子力学的发展也揭示了固体物质中诸如半导体和超导体等性质的基本机制。

后来,由半导体和电子技术的发展,固体物理学的应用范围得到了大幅拓展。

固体物理学研究者还开始关注寻找新的材料和技术,例如高温超导材料和新型半导体器件等。

总结起来,固体物理学的发展历程经历了从古代的观察和实验到现代的定量描述和理论化的过程。

探寻时间晶体

探寻时间晶体

龙源期刊网 探寻时间晶体作者:魏亮来源:《中国科技术语》2018年第05期2012 年由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克(Frank Wilczek)提出的“时间晶体”(time crystal)具有不断周期重复的动力学行为。

2017年,这种时间晶体首次在实验室中实现。

最近,两种新时间晶体的发现暗示它是材料的普遍特性。

我们可借助空间晶体来理解时间晶体。

空间晶体(如钻石)破缺空间对称性,因此不是晶格中所有位置都等价。

如果平移钻石的晶格任意距离,它将不会与原始晶格重叠;但如果将晶格平移原子间距的整数倍,它们将会重叠,破缺的平移对称性具有周期性。

时间晶体破缺“时间平移”对称性。

如果你在时间上平移任意时间,系统将会变化;如果移动整数倍的周期,系统将会还原。

2015 年,加州大学伯克利分校的渡边悠树和东京大学的押川正毅证明了没有物理系统能在基态形成时间晶体,之前不久在欧洲同步辐射装置工作的帕特里克·布鲁诺也提出了类似的意见。

他们认为振荡系统的能量耗散无法避免。

难道时间晶体仅仅是诺奖得主徒劳的幻想吗?并非如此。

悠树和正毅承认他们的论证存在漏洞:在被周期性驱动推离平衡态的系统中,时间晶体是可以存在的。

平衡态之外能获得具有周期的行为并不令人惊讶。

事实上,周期性驱动调制的量子系统在之前就被人研究过。

它们被归在弗洛凯(Floquet)系统中,该系统得名于19 世纪用数学方式研究它的数学家弗洛凯。

2016 年,普林斯顿与马普所的研究组展示了耗散的弗洛凯系统可以反直觉地产生周期性相位。

研究者考虑自旋链系统,但没有考虑到它与时间晶体之间的联系。

微软圣芭芭拉的实验室也提出了类似的方案,加州大学伯克利分校的诺曼·姚和他的同事们将其称为“离散时间晶体”,“离散”源于其周期总是驱动周期的整数倍。

离散时间晶体与其他非平衡周期性系统不同——虽然它们都需要驱动,但时间晶体不吸收或消耗能量。

这种被驱动而不吸收能量的能力源于无序,系统被囚禁在非平衡状态或被“局域化”了。

钟表的前世今生

钟表的前世今生

钟表的前世今生作者:来源:《发明与创新·中学生》2018年第07期时间是目前测量精度最高的一个基本单位,每个时代的计时仪器都代表着当时最高的科技水平。

今天,小编和你一起坐上时光机穿越历史,看钟表的前世今生!远古时期,人们对计时精度要求不高,日出而作,日落而息,太阳的位置是他们判断时间的唯一依据。

但随着社会的发展,人们对标准时间的需求逐渐显现。

充满智慧的古人依据“不同的时刻太阳所处的位置不同,物体投射在地面的影子方向和长短也不同”这一原理,发明了初具现代钟表雏形的日晷。

利用日晷人们不仅可以判断时间,还可以判断月份和节气。

不过日晷只能在看得见太阳的时候使用。

火钟和流体钟只能测量时间间隔,但人们可以通过天文测时的方法确定计时的起点,结合火钟和流体钟的测量结果则可以得知当时的具体时间。

火钟忽略风速等环境影响,同一种燃料燃烧的速度是均匀的,古人根据这一原理发明了火钟。

古时官方使用的火钟通常为“定时蜡”:在蜡烛上刻上均匀的刻度,根据蜡烛的燃烧情况就可以测定时间的长短。

还有一种很有趣的古代闹钟——龙盘香钟。

在一个类似龙舟的物品上点一炷香,香上悬挂几根系铃铛的细线,当香燃烧到细线的位置时会把线烧断,铃铛掉在龙舟下方放置的铜盘上,从而发出清脆的响声,告诉大家时间。

挪动细线的位置可改变“叫醒”人们的时间,这大概是人类历史上最简单的闹钟了。

流体钟我国古代主要使用的流体钟是漏刻。

漏刻由漏和刻组成,漏是指在盛水的壶上留一个小孔,水会一滴一滴地从壶中流出。

刻是指浮在水面上的刻度尺,随着水面的下降,刻度尺逐渐下降,可以指示时间。

最常使用的漏刻是“一刻之漏”,我国古代很早就将一昼夜分为一百刻,其中一刻就是指滴完一壶水的时间。

漏刻运用最多的场合是古代军事活动,但如果作战时处于天寒地冻的环境,水易结冰,漏刻就无法使用,沙漏便应运而生。

沙漏的制造原理与漏刻类似,它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的周期现象来计量时间。

摆脱了水压的限制,沙漏比漏刻要精确很多。

时间晶体的发现与研究

时间晶体的发现与研究

时间晶体的发现与研究过去的几年里,科学界迎来了一项极为重要的发现——时间晶体。

在这个以物质构成的宇宙中,时间晶体作为一种全新的物质形态,引发了科学家们对时间本质的深入思考,并可能给我们对时间的理解带来革命性的改变。

时间晶体最早由美国加州大学伯克利分校的诺贝尔奖获得者、物理学家特雷斯·奇丹提出。

在2012年,他首次提出了时间晶体的概念,引起了科学界的广泛关注。

时间晶体与晶体一样,具有高度有序性,其原子或分子有规律地重复排列。

然而,不同于晶体中的原子或分子只在空间上规律排列,时间晶体在时间维度上也具有规律性。

这一独特的特征使得时间晶体成为了科学家们探索时间性质的新方向。

一个简单的实例可以帮助我们更好地理解时间晶体。

想象一下,在一个立方体的六个面上各有一个人,每个人以一定的规则进行移动。

如果所有人按照相同的节奏、同一种规律来移动,那么立方体上的人们看起来就如同时间晶体一样,他们在时间维度上呈现出类似节拍的规律。

这一模型可以表述奇丹提出的时间晶体概念的核心思想。

尽管时间晶体的概念非常有趣,但在2017年之前,科学家们并没有找到真实存在的时间晶体。

直到一项由哈佛大学的研究团队进行的实验,才首次展示了实验室中的时间晶体。

这个实验基于量子物理的原理,通过创造出一种无法从热平衡态逃脱的量子系统。

在实验中,研究团队使用针对原子的激光脉冲,将锁定在晶格中的原子从一个能量状态转化到另一个状态。

当激光脉冲作用于晶格中的原子时,原子的能量随之变化,而这种变化在时间上呈现出自旋的有序重复。

这种演化就如同一个时间晶体一样,在时间维度上呈现出高度有序的规律。

通过这个实验,科学家们突破了时间的对称性,成功地观察到了破坏时间平衡的现象。

他们的研究不仅验证了时间晶体的存在,也为我们对时间的理解提供了新的视角。

时间,似乎并不是一个单一且不可逆的维度,而是有可能具有某种规律性和周期性。

时间晶体的发现引发了近几年来对时间本质的深入研究,也激发了科学界对更加深入的探索。

时间晶体:永不停息的物态

时间晶体:永不停息的物态

时间晶体:永不停息的物态时间是我们生活中最珍贵的资源之一,它如同一条不停流动的河流,无法逆转也无法停止。

然而,科学家们在探索宇宙的过程中发现了一个神秘的物质,它被称为时间晶体。

时间晶体是一种能够永不停息地保持物态的物质,它的发现引起了科学界的广泛关注和研究。

本文将介绍时间晶体的定义、性质以及其在科学研究和应用领域中的潜力。

时间晶体的定义时间晶体是一种具有周期性结构并且能够在低温下保持稳定状态的物质。

与普通晶体不同的是,时间晶体的周期性不是由空间中的原子排列所决定,而是由时间中的物理过程所决定。

这种奇特的结构使得时间晶体能够在没有外界干扰的情况下永远保持稳定,并且不会受到热力学第二定律的限制。

时间晶体的性质周期性结构时间晶体具有明显的周期性结构,这是由其内部物理过程的周期性所决定的。

这种周期性结构使得时间晶体能够在时间维度上保持稳定,并且不会随着时间的推移而发生变化。

低温稳定时间晶体只能在极低的温度下保持稳定,通常需要接近绝对零度。

这是因为在高温下,热运动会破坏时间晶体的周期性结构,导致其失去稳定性。

不受热力学第二定律限制热力学第二定律规定了自然界中物质的不可逆性,即物质总是趋向于更高的熵。

然而,时间晶体作为一种特殊的物质,能够永远保持稳定,并且不受热力学第二定律的限制。

这使得时间晶体成为了科学界一个备受关注的研究领域。

时间晶体的研究进展自从时间晶体的概念被提出以来,科学家们对其进行了广泛的研究。

他们通过实验和理论模拟等手段,试图揭示时间晶体的奥秘并探索其潜在应用。

实验验证科学家们通过实验验证了时间晶体的存在。

他们使用冷却技术将物质降温到极低温度,并观察其是否能够保持稳定。

实验证实了时间晶体的存在,并且揭示了其周期性结构和低温稳定性。

理论模拟除了实验验证,科学家们还通过理论模拟来研究时间晶体的性质和行为。

他们使用数学模型和计算机模拟等方法,模拟时间晶体在不同条件下的行为,并且预测了一些可能的应用领域。

时间晶体的制备与特性研究

时间晶体的制备与特性研究

时间晶体的制备与特性研究近年来,时间晶体作为一种新兴的研究领域,在科学界引起了广泛关注。

时间晶体是一种特殊的物质状态,其原子结构会随时间的推移周期性改变,类似于晶体的周期性结构。

它的研究不仅对物理学有重要意义,还可能应用于将来的科技发展中。

一、时间晶体的制备时间晶体的制备是一项挑战性的任务。

最早提出时间晶体概念的是美国加州大学伯克利分校的诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克斯。

他通过一系列的理论推导,发现了制备时间晶体的可能性。

在实验上,制备时间晶体的方法主要有两种。

一种是利用冷原子系统,通过将原子冷却到接近绝对零度的温度,将其纳入一个周期性驱动力的系统中,从而使原子结构产生周期性的改变。

另一种则是利用固体材料,例如特殊的晶格结构和复杂的相互作用,使其在外界作用下发生时间晶体性质的变化。

二、时间晶体的特性时间晶体的特性是研究的重点之一。

首先,时间晶体具有时空周期性的结构,这意味着它的物理性质在一定时间和空间尺度上表现出规律性变化。

其次,时间晶体具有非正则的自旋态。

正因为如此,时间晶体能够在一定时间尺度内维持着周期性的结构,并保持在稳定的状态下。

此外,时间晶体还具备自我调节的功能,能够在外界环境的作用下自动修复和调整自身结构。

三、时间晶体的应用前景时间晶体作为一种新型物质,具有广泛的应用前景。

首先,时间晶体可以用于量子计算领域,其特殊的周期性能够提供更好的能量传输和信息存储方式,从而提高计算的效率。

其次,时间晶体可应用于光通信领域,可以在光信号的传输过程中实现更快速、稳定的数据传输和通信。

另外,时间晶体在材料科学中的应用也具有巨大潜力,可以用于制备高效能、稳定性强的材料,推动材料科学领域的发展。

总之,时间晶体的制备与特性研究是一个重要而有挑战性的课题。

目前,虽然科学家们在时间晶体的制备和特性方面取得了一定进展,但仍然存在着很多未知的问题等待解答。

未来的研究将进一步深化对时间晶体的了解,探索其更广阔的应用领域。

晶体学国际表

晶体学国际表

晶体学国际表
摘要:
一、晶体学国际表的背景与意义
1.晶体学国际表的起源和发展
2.对晶体学研究的推动作用
二、晶体学国际表的内容与结构
1.晶体学国际表的基本组成
2.晶体学国际表的命名规则
三、晶体学国际表的应用领域
1.材料科学
2.生物学
3.化学
4.地球科学
四、晶体学国际表在解决实际问题中的重要性
1.促进科学研究的发展
2.提高工业生产的效率
3.帮助人类理解自然界的规律
正文:
晶体学国际表是一个对全球晶体学领域具有重要意义的参考工具,它起源于19 世纪末,由国际晶体学联合会(International Union of Crystallography, IUCr)负责维护和更新。

晶体学国际表不仅对晶体学基础研
究有着重要的推动作用,还广泛应用于材料科学、生物学、化学、地球科学等领域。

晶体学国际表主要包括两部分:周期表和布里渊区。

周期表是根据元素的原子序数、电子排布和元素周期性规律排列的,它反映了元素的基本性质和晶体学中原子间相互作用力的变化规律。

布里渊区则是根据电子在晶体中的能带结构划分的,它描述了晶体中电子的能量和动量关系。

晶体学国际表的应用领域非常广泛。

在材料科学中,晶体学国际表可以帮助科学家预测新材料的性质,优化现有材料的性能;在生物学中,晶体学国际表为生物大分子的空间结构提供了重要信息,有助于揭示生命现象的本质;在化学中,晶体学国际表为化学键的类型和强度提供了依据,推动了化学反应动力学和热力学的研究;在地球科学中,晶体学国际表有助于理解地壳和地幔中矿物质的成因和演变。

总之,晶体学国际表作为一个重要的知识体系,对于解决实际问题具有重要意义。

时间晶体的概念、实验进展和潜在应用是什么

时间晶体的概念、实验进展和潜在应用是什么

时间晶体的概念、实验进展和潜在应用是什么在探索物质世界的奥秘时,科学家们总是不断地提出新的概念和理论,以更深入地理解宇宙的运行规律。

时间晶体,便是近年来物理学领域中一个引人瞩目的新课题。

那么,什么是时间晶体呢?简单来说,时间晶体是一种处于非平衡态的物质形态,它在时间维度上具有周期性的运动,而这种运动不需要消耗能量。

与我们日常生活中常见的晶体不同,普通晶体在空间上具有周期性的结构,比如晶格的重复排列。

而时间晶体则是在时间轴上展现出周期性的变化。

为了更形象地理解时间晶体,我们可以想象一个不停摆动的钟摆。

通常情况下,要让钟摆持续摆动,需要不断给它提供能量,否则它会因为摩擦等因素逐渐停止。

但时间晶体就像是一个“永动机”般的钟摆,不需要外界输入能量就能持续地在时间上做周期性的运动。

要实现时间晶体并非易事,科学家们在实验方面付出了大量的努力。

近年来,一些重要的实验进展为时间晶体的研究带来了曙光。

其中一个具有里程碑意义的实验是由一组科学家在离子阱中实现的。

他们通过巧妙地控制离子的相互作用,成功观察到了离子系统呈现出时间晶体的特征。

在这个实验中,离子们按照特定的规律在时间上周期性地变化,并且这种变化是稳定且持续的。

另一个值得一提的实验是在超导电路中实现的时间晶体。

研究人员利用超导材料的特性,设计出了能够展现时间晶体行为的电路结构。

这些实验的成功不仅验证了时间晶体概念的可行性,也为进一步研究其性质和应用奠定了基础。

那么,时间晶体具有哪些潜在的应用呢?这是一个令人充满期待的问题。

首先,在量子计算领域,时间晶体可能会发挥重要作用。

量子计算机的发展依赖于对量子态的精确控制和操纵,而时间晶体的独特性质或许能够为实现更稳定和高效的量子计算提供新的思路。

例如,利用时间晶体的周期性来存储和处理量子信息,可能会提高量子计算的运算速度和存储能力。

其次,时间晶体在通信领域也有潜在的应用前景。

由于其在时间上的周期性变化特性,可以被用于开发新型的时钟同步技术。

晶体结构分析的历史发展

晶体结构分析的历史发展

晶体结构分析的历史发展晶体结构分析的历史发展(一)X射线晶体学的诞生1895年11月8日德国维尔茨堡大学物理研究所所长伦琴发现了X射线。

自X射线发现后,物理学家对X射线进行了一系列重要的实验,探明了它的许多性能。

根据狭缝的衍射实验,索末菲(Som-merfeld)教授指出,X射线如是一种电磁波的话,它的波长应当在1埃上下。

在发现X射线的同时,经典结晶学有了很大的进展,230个空间群的推引工作使晶体构造的几何理论全部完成。

当时虽没有办法测定晶胞的形状和大小以及原子在晶胞中的分布,但对晶体结构已可臆测。

根据当时已知的原子量、分子量、阿伏伽德罗常数和晶体的密度,可以估计晶体中一个原子或一个分子所占的容积,晶体中原子间距离约1—2埃。

1912年,劳厄(Laue)是索末菲手下的一个讲师,他对光的干涉现象很感兴趣。

刚巧厄瓦耳(P.Ewald)正随索末菲进行结晶光学方面的论文,科学的交流使劳厄产生了一种极为重要的科学思想:晶体可以用作X射线的立体衍射光栅,而X射线又可用作量度晶体中原子位置的工具。

刚从伦琴那里取得博士学位的弗里德里克(W.Friedrich)和尼平(P.Knipping)亦在索末菲教授处工作,他们自告奋勇地进行劳厄推测的衍射实验。

他们使用了伦琴提供的X射线管和范克罗斯(Von.Groth)提供的晶体,最先对五水合硫酸铜晶体进行了实验,费了很多周折得到了衍射点,初步证实了劳厄的预见。

后来他们对辉锌矿、铜、氯化钠、黄铁矿、沸石和氯化亚铜等立方晶体进行实验,都得到了正面的结果,为了解释这些衍射结果,劳厄提出了著名的劳厄方程。

劳厄的发现导致了X射线晶体学和X射线光谱学这二门新学科的诞生。

劳厄设计的实验虽取得了正面的结果,但X射线晶体学和X射线光谱学成为新学科是一些得力科学家共同努力的结果。

布拉格父子(W.H.Bragg,W.L.Bragg)、莫塞莱(Moseley)、达尔文(Darwin)完成了主要的工作,通过他们的工作认识到X射线具有波粒二重性;X射线中除了连续光谱外,还有波长取决于阴极材料的特征光谱,发现了X射线特征光谱频率和元素在周期表中序数之间的规律;提出了镶嵌和完整晶体的强度公式,热运动使衍射线变弱的效应,发展了X射线衍射理论。

考公考编知识——古代天文历法

考公考编知识——古代天文历法
2.历法成就:(1)《太初历》—西汉—汉武帝改历,多人制定:我国第一部比较完整的历法
(2)《大衍历》—唐代—僧一行:测量了地球子午线(即经线)第一人
(3)《授时历》—元代—郭守敬:我国古代最优秀的历法,回归年长度和现在的测量几乎一样的,差26秒,也是使用时间最长的历法。
●速记:春秋最早记哈雷,墨经则把光学推。甘石星经天文著,太阳黑子汉书寻。张衡样样都优秀,地动浑天仪器牛。
如:2022年:尾数为2,对应的天干为壬,以年除以12,余数对应地支。2022÷12=168(余6),对应地支为寅。因此,2022年为壬寅年。
十二时辰
一昼时辰对应2个小时,以此类推
(4)“满芒”:小满在公历的5月20-22日,籽粒开始饱满,未成熟状态。芒种在公历6月初,麦类等有芒作物已经成熟,可以收割。
(5)处暑:8月的中下旬,天开始变凉。属于秋天的节气。/一年中最热的节气是大暑,在公历7月的中下旬,时有大雷雨,暑热减弱,向立秋过渡。
天干地支
1.始自黄帝时期,萌芽于西汉,东汉的汉章帝在全国推广
古代
历法成就
1.基本概念:阳历、阴历、阴阳历(需要重点掌握):
(1)阳历:又称为太阳历,以地球围绕太阳公转的周期为主,让一年的天数约等于回归年,月的天数人为规定。
(2)阴历:以月球围绕地球公转的周期为主,平均约等于朔望月,每年的月数进行规定。现在基本不适用
(3)阴阳历:年的天数约等于回归年,月的天数约等于朔望月,最典型的阴阳历是我国的农历。
中国农历依阴阳,西汉太初地位强。唐代一行实在忙,大衍子午都在行。元代守敬授时历,精度甚高美名扬。
二十四
节气
1.概念:属于我国古代指导农事的补充历法,属于阳历系统。是将地球绕着太阳公转的轨道分成24份,从而产生二十四节气,用来指导农事。

量子时间晶体和经典时间晶体

量子时间晶体和经典时间晶体

量子时间晶体和经典时间晶体简介时间晶体时间晶体常规晶体是一个三维物体,它们的内部原子按照有规则的顺序重复排列而构成。

时间晶体是一种四维以上晶体,在时空中拥有一种周期性结构。

一个时间晶体能自发破坏时间平移的对称性,做空间的非平移运动,时间晶体的构成以'空间'非定域的粒子交叉存在做相互关联运动,是能效粒子的'额外维'超出'定域空间'的能动量,时间晶体的存在同样揭示了'超额外维度'的存在意义。

它可以随着时间改变,但是会持续回到它开始时的相同形态,就如一个钟的移动的指针周期性的回到它的原始位置。

与普通的钟或者其他周期性的过程不同的是,时间晶体和空间晶体一样会是最低限度的能量的一种状态。

可以将它看作是一只可以永远保持走时精确无误的钟,即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。

意义构建一个时空晶体,存在着实际和重要的科学理由:有了这种4维晶体,科学家们将拥有一种全新的,更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用行为进行研究,或者是研究物理学中所谓的"多体问题"。

这种时空晶体同样可以被用来对量子世界进行研究,如量子纠缠现象,在这种状态中,当对其中一个粒子进行操作时,另外一个粒子也会相应地发生变化,即便这两个粒子之间隔开着巨大的距离。

时间晶体的空间轴线运动时间晶体的空间轴线运动物理学定律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。

理论基础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。

时空不可分割被打破,科学家发现时间晶体,穿越在微尺度已经实现,重返过去不是梦

时空不可分割被打破,科学家发现时间晶体,穿越在微尺度已经实现,重返过去不是梦

时空不可分割被打破,科学家发现时间晶体,穿越在微尺度已经实现,重返过去不是梦如果人生能够重来,那么遗憾就会少很多。

其实,每个人都不希望遗憾,遗憾对于我们来说是一种痛苦,也是一种无法解决的问题。

而造成一切遗憾的根源,就是时间。

时间是一种特殊的东西,和空间紧紧联系在一起,所以我们通常把时间和空间混在一起,称为:时空。

我们生活的三维空间有三个坐标,X、Y、Z,这三个坐标轴彼此独立。

因为这三个坐标轴是独立的,所以我们才可以从1楼走到2楼,也可以在房间里任意一个角落移动。

假如空间三个坐标轴不是独立的,我们会看到这样的现象:不管我们怎么走,周围的景物都会跟着我们。

时间就是这样,和空间随动。

我们在时间里只能停留在一个点上。

用古希腊哲学家的话来说,就是人不能同时踏进同一条河。

时间紧紧依附在空间的三个维度上,不可分离。

穿越时空的事情,就像《你好,李焕英》中的女儿穿越了时空漩涡,只能在影视作品里面表现。

人类的科学家一直在幻想,如何把时间这个维度从三维空间中剥离出来。

一旦时间维度被剥离,能够带来的第1个效应就是可以瞬间转移;第2个效应可以实现反重力飞行;第3个效应可以回到过去。

仅仅瞬间转移就能够带来丰富的想象,在商场里拿着100克拉的钻石爱不释手,但是又不想掏钱,然后瞬间转移,当然,这是非法的,但是用在军事上却是合法的。

本着大力出奇迹的原则,1943年美国进行了一场撕裂时空的实验:费城实验。

实验在宾夕法尼亚州费城的一个船坞里进行,最开始的目的是用超强的电磁场让一艘军舰在雷达上消失(也有说法是让军舰在可见光下消失)。

参加实验的军舰,是驱逐舰埃尔德里奇号(USS Eldridge DE-173),随着电磁场的强度不断增强,海面上腾起了蓝绿色的烟雾,随后军舰消失了。

实验的最终结果仍然是保密的。

据透露出来的消息说,军舰出现在了几百公里以外,舰上的水手多人消失。

幸存下来的人,有的被严重的灼伤,有的身体和军舰上的钢铁融合在了一起。

晶体-时钟模块

晶体-时钟模块

关于时钟晶体的话题!近段时间论坛团购时钟晶体,大家也希望多晶体进行一个了解! 先来转一篇网上的介绍: 石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效应制成的一种谐振器件,它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊一根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器,简称为石英晶体或晶体、晶振。

其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。

下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。

反之,若在晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。

如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。

在一般情况下,晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。

我这段时间也接触了一些晶体,也和晶体厂家的人员了解了一些相关的知识!哈哈,刚知道什么是1PPM的定义! 也顺便说说论坛本次定做的10PPM晶体的情况! 市面上的晶体分为数种,有1元左右的2脚晶体,有数元的方晶体(例如TDA1543DAC上用的),有几十元的晶体,更有数百元的TCXO(温补晶体) 大家也许会奇怪,同样一个频率为什么会有如此大的差价! 我理解这个差别应该和晶体的稳定性有关系,例如1PPM的晶体,1PPM有2种定义(听海创的工程师说过2种,有一种我记得不清楚) 1)在规定温度范围内,此晶体的频率漂移最大只有1PPM 2)我大体记得好象是随温度变化的时候是以什么数量级变化而整体达到1PPM! 晶体是如何做成的,关键是切割,按照规定的要求对晶体进行切割,好象刀削面一样! 晶体应该分为4个级别! 见下面图片!第一图是普通的晶体,第二图是高精度晶体,第三图的晶体可以算是准TCXO,图四和图五上面有一个可调。

古代计时工具发展史

古代计时工具发展史

古代计时工具发展史现在,由于地球自转速度的减慢,格林尼治标准时间可能有一些误差。

因此,科学家们正在讨论用基于原子振荡周期的“原子时”取代基于地球自转的“世界时”。

从古人最初尝试用日晷测量时间,到原子钟精度记录达到“17亿年仅1秒”(2009年记录)的先进设备,人类一直在为精确测量时间而奋斗。

然而,一个人的生活中几乎没有任何活动需要精确到少于几秒的时间。

那么,这样精确的时钟能工作吗?我们来谈谈时间测量之类的话题。

日晷、水钟与沙漏作为时间测量这个话题的先行者,我们首先应该谈谈时间概念本身的起源,虽然这不是一件容易验证的事情。

人们普遍认为,自然界中的周期现象是启发人们产生时间概念的原因之一。

例如,“年”的概念来源于四季循环,“月”的概念来源于月相盈亏,“日”的概念来源于昼夜交替,构成了一个粗略的时间尺度。

然而,根据日常经验,要找到一个比“天”短、足够可靠的周期运动并不容易,因此需要人工方法来测量较短的时间。

我们聪明的祖先发明了钟。

最早的钟出现在五六千年前。

它利用太阳阴影的变化来标记时间。

这叫日晷。

但是,日影的变化与地点和季节有关,在多云的白天和夜晚将不再存在。

我们该怎么办?所以古人又发明了水钟。

它用稳定的水流来标记时间,出现在三四千年前。

但是水钟也有缺点,就是不能在太冷的气候下使用,那我该怎么办呢?人们又发明了沙漏。

在中国宋代,人们也用烧香的蜡烛来祭祀。

武侠小说中经常提到的“一炷香”概念,估计就是由此而来的。

此外,人们的脉搏也曾被用作粗略的计时依据,但脉搏的频率不仅因人而异,而且受情绪、运动、健康等因素的影响甚至对同一个人来说也是如此,所以效用相当有限。

摆钟的辉煌时代水钟、沙漏和香烛的燃烧都试图使用统一的物理过程来计时。

不幸的是,那些被认为是统一的过程实际上并不统一,每天至少有10分钟的误差。

这些粗糙的时钟伴随着人类社会走过漫长的中世纪,进入了文艺复兴时期。

此后,随着海上贸易的兴起,时钟成为船舶定位的工具。

钟表的发展史

钟表的发展史

钟表的发展史沙漏公元1300年以前,人类主要是利用天文现象和流动物质的连续运动来计时。

例如,日晷是利用日影的方位计时;漏壶和沙漏是利用水流和沙流的流量计时。

东汉张衡制造漏水转浑天仪,用齿轮系统把浑象和计时漏壶联结起来,漏壶滴水推动浑象均匀地旋转,一天刚好转一周,这是最早出现的机械钟。

北宋元祜三年(1088)苏颂和韩公廉等创制水运仪象台,已运用了擒纵机构。

1350年,意大利的丹蒂制造出第一台结构简单的机械打点塔钟,日差为15~30分钟,指示机构只有时针;1500~1510年,德国的亨莱思首先用钢发条代替重锤,创造了用冕状轮擒纵机构的小型机械钟;1582年前后,意大利的伽利略发明了重力摆;1657年,荷兰的惠更斯把重力摆引入机械钟,创立了摆钟。

1660年英国的胡克发明游丝,并用后退式擒纵机构代替了冕状轮擒纵机构;1673年,惠更斯又将摆轮游丝组成的调速器应用在可携带的钟表上;1675年,英国的克莱门特用叉瓦装置制成最简单的锚式擒纵机构,这种机构一直沿用在简便摆锤式挂钟中。

1695年,英国的汤姆平发明工字轮擒纵机构;1715年,英国的格雷厄姆又发明了静止式擒纵机构,弥补了后退式擒纵机构的不足,为发展精密机械钟表打下了基础;1765年,英国的马奇发明自由锚式擒纵机构,即现代叉瓦式擒纵机构的前身;1728~1759年,英国的哈里森制造出高精度的标准航海钟;1775~1780年,英国的阿诺德创造出精密表用擒纵机构。

18~19世纪,钟表制造业已逐步实现工业化生产,并达到相当高的水平。

20世纪,随着电子工业的迅速发展,电池驱动钟、交流电钟、电机械表、指针式石英电子钟表、数字式石英电子钟表相继问世,钟表的日差已小于0.5秒,钟表进入了微电子技术与精密机械相结合的石英化新时期有关钟表的演变(在钟表的演变上添上二笔!!!)大致可以分为三个演变阶段,那就是:一、从大型钟向小型钟演变。

二、从小型钟向袋表过渡。

三、从袋表向腕表发展。

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MIT-CTP /4347Classical Time CrystalsAlfred Shapere 1and Frank Wilczek 21Department of Physics and Astronomy,University of Kentucky,Lexington,Kentucky 40502USA2Center for Theoretical Physics,Department of Physics,Massachusetts Institute of Technology,Cambridge,Massachusetts 02139USAWe consider the possibility that classical dynamical systems display motion in their lowest energy state,forming a time analogue of crystalline spatial order.Challenges facing that idea are identified and overcome.We display arbitrary orbits of an angular variable as lowest-energy trajectories for nonsingular Lagrangian systems.Dynamics within orbits of broken symmetry provide a natural arena for formation of time crystals.We exhibit models of that kind,including a model with traveling density waves.PACS numbers:45.50.-j,05.45.-a,03.50.Kk,11.30.QcIn this paper we will investigate a cluster of issues around the question of whether time-independent,con-servative classical systems might exhibit motion in their lowest energy states.Fully quantum systems are the sub-ject of a companion paper [1].Related issues have been raised in a cosmological context [2][3],but those investi-gations consider quite different aspects,in which the time dependence introduced by the expansion of the universe plays a significant role.(The term “time crystal”has been used previously to describe periodic phenomena in other contexts [4,5].)General considerations.When a physical solution of a set of equations displays less symmetry than the equa-tions themselves,we say the symmetry is spontaneously broken by that solution.Here the meaning of “physical solution”can be interpreted differently in different con-texts,but one interesting case,that will concern us here,is of the lowest energy solutions of a time-independent,conservative,classical dynamical system.If such a solu-tion exhibits motion,we will have broken time transla-tion symmetry spontaneously.If the dynamical variable is an angular variable,then the motion will be periodic in time,so the time-translation symmetry is not entirely lost,but only reduced to a discrete subgroup.Spatial periodicity is,of course,associated with formation of or-dinary crystals,so it is natural and suggestive to refer to the formation of time crystals.It is very easy to construct simple Lagrangians or Hamiltonians whose lowest energy state is a spatial crys-tal.With φ(x )an angular variable,the potential energy functionsV 1(φ)=−κ1dφdx +λ12(dφdx )2V 2(φ)=−κ22(dφdx )2+λ24(dφdx )4(1)with all the Greek coefficients positive,are minimized for dφ1dx =κ1λ1,dφ2dx =± κ2λ2respectively.In both cases thespatial translation symmetry of the original potential isspontaneously broken;in the second case inversion sym-metry is broken as well.The combined inversion φ(x )→−φ(−x )is preserved in both cases,as is a combined in-ternal space-real space translation φ(x )→φ(x + )−dφdx .From this one might surmise that time crystals are like-wise easy to construct,at least mathematically.More-over,higher powers of velocities appear quite naturally in models that portray the effects of finite response times,as we replace(φ(t )−φ(t −δ) n˜→δn ˙φn (2)On second thought,however,reasons for doubt appear.Speaking broadly,what we’re looking for seems perilously close to perpetual motion.Also,if the dynamical equa-tions conserve energy,then the existence of a minimum-energy solution where the variables trace out an orbit implies that the energy function assumes its minimumvalue on a whole curve in (φ,˙φ)space –not,as we ex-pect generically,at an isolated point.Dynamical equations.That easy/impossible di-chotomy carries over into the dynamical equations.If one simply turns the space derivatives in Eqn.(1)into time derivatives,then the resulting LagrangiansL 1(φ,˙φ)=−κ1˙φ+λ12˙φ2L 2(φ,˙φ)=−κ2˙φ2+λ2˙φ4(3)are associated with the energy functionsE 1(φ,˙φ)=λ12˙φ2E 2(φ,˙φ)=−κ22˙φ2+3λ24˙φ4.(4)The first of these is minimized at ˙φ1=0,the second at ˙φ2=±κ23λ2.So the analogue of our first symmetry-breaking example in Eqn.(1)has collapsed,but the sec-ond survives,with a quantitative change.a r X i v :1202.2537v 2 [c o n d -m a t .o t h e r ] 12 J u l 2012On theother hand if we convert the space derivativesin Eqn.(1)into momenta,the resulting Hamiltonians areH1(p,φ)=−κ1p+λ12p2H2(p,φ)=−κ22p2+λ24p4.(5)Wefind precisely the original algebraic structure for theminimum-energy solutions,viz.p1=κ1λ1,p2=±κ2λ2respectively.Their physical implications are entirely dif-ferent,though.Indeed,they correspond to˙φ1=˙φ2=0: thus no symmetry breaking occurs,in either case.This disappointing consequence of the Hamiltonian formalism is quite general.Hamilton’s equations of mo-tion˙p j=−∂H˙q j=∂H∂p j(6)indicate that the energy function E(p j(0),q j(0))= H(p j(0),q j(0)),regarded as a function of the dynami-cal variables at a chosen initial time,is minimized for trajectory with˙p j=˙q j=0,since the gradients on the right-hand side of Eqn.(6)vanish.How do we reconcile this very general null result in the Hamiltonian approach,with our positive result in the Lagrangian approach?The point is that the Lagrangian L2,which gave symmetry breaking,cannot be converted into a Hamiltonian smoothly.Indeed,expressing the al-gebraic recipe for the HamiltonianH(p,φ)=p˙φ−L=p˙φ+κ2˙φ2−14˙φ4(7)(in which we have setλ2=1for simplicity and dropped all‘2’subscripts)as a function ofp=∂L∂˙φ=˙φ3−κ˙φ(8)leads to a multi-valued function[6],with cusps where∂p ∂˙φ=0,i.e.p=∓2κ3/233/2,corresponding precisely to theenergy minima˙φ=±(See Figure1.)Forκ≤0,H(p)is regular,but asκpasses through zero there is a swallowtail catastrophe.At the cusps the usual condition that the gradient should vanish at a minimum does not apply,and so our null result for smooth Hamiltonian systems is avoided. For classical physics the Lagrangian formalism is ad-equate,so let us follow that direction out further.A logical next step would be to add a potential V(φ)to L.Doing that,however,leads us directly into the prob-lem with energy conservation that we anticipated earlier. Minimizing V,we willfind a preferred value forφ=φ0, but minimizing the kinetic part will favor motion inφ, and there is a conflict.FIG.1:Energy is a multivalued function of momentum. We can elucidate this issue as it arises for a general Lagrangian system.Suppose that the energy function of a system with many degrees of freedom is minimized by nonzero velocities˙φk0=0,so that0=∂E∂˙φk˙φk=∂2L∂˙φk∂˙φj˙φk˙φj.(9) Then in the equations of motion0=ddt(∂L∂˙φk)−∂L∂φk=∂2L∂˙φj∂˙φk¨φj+ (10)the coefficient of the acceleration in the direction¨φj∝˙φj0 vanishes at˙φk0.In that case the equations of motion, which generally serve to determine the accelerations,re-quire supplementation.(As we shall discuss below,there are physically interesting models that avoid any singu-larities of this type.)Brick Wall Solutions:Upon integratingE=34˙φ4−κ2˙φ2+V(φ)(11) directly we obtaint(φ)=φdφ±κ3±κ32+43(E−V(φ))(12)where the±signs are independent.The argument of the inner square root is non-negative if and only if V(φ)≤E+κ2/12≡∆,where∆≡E−E0≥0is the energy above the minimum kinetic energy E0=−κ212.The inequality is saturated when˙φ=±κ3, i.e.,when the kinetic energy is minimized.Close to a pointφt where this happens,˙φ≈±κ3±1κV (φt)(φt−φ).(13) Sinceφcannot continue pastφt without violating the bound V(φ)≤∆,it suddenly reverses direction,˙φ=± κ3→∓ κ3.Such a reversal conserves energy,but requires a sudden jump in momentum.This is analogous to the turning point of a “brick-wall”potential enforced by an infinitely massive source.Unless φt is an extremum of V (φ),the acceleration diverges at φt ,as required by the equations of motion (10).Small oscillations about the minimum of a generic po-tential V (φ)≈12µ(φ−φ0)2exhibit turning points of this type,with bounded orbits that oscillate between φt =φ0− 2∆/µand φ0+ 2∆/µ.In the limit of small ∆,the orbits ricochet about the minimum,withnearly constant speed |˙φ|= κ3,reconciling the appar-ently contradictory conditions ˙φ=± κ3and φ=φ0.More conventional turning points arise if the inner ±sign in (12)is negative,i.e.for V (φ)≥E .Now ˙φt =0at turning points where V (φt )=E ,and the particle changes direction smoothly.fgh model :Lagrangians of the formL =f ˙φ4+g ˙φ2+h (14)for functions f (φ),g (φ),h (φ)lead to energies of the formE =3f ˙φ4+g ˙φ2−h =3f (˙φ2+g 6f )2−g 212f−h (15)(Note that f may be absorbed into a redefinition of φ;then for constant g this reduces to the model of Eqn.(11).)Ifg 212f+h =const .(16)the energy will be minimized along the curve ˙φ2+g 6f=0,for any f >0,g <0.Thus we have solutions˙φ=±−g 6f (17)This construction demonstrates that any orbit with a ve-locity that does not change sign can be realized,in many ways,as the stable minimum energy solution to an ap-propriate,reasonably simple Lagrangian.Choosing the constant in (16)to be zero,constancy of the energy E ≥0leads to˙φ2+g 6f =±E f (18)This equation is of a familiar form;it expresses the con-servation of a pseudo-energy ˜Efor a particle with mass m =12and a two-branched E -dependent potential,ac-cording to˜E=˙φ2+V (E,φ)(19)V (E,φ)=g 6f ∓Ef(20)This result allows us to infer the qualitative dynamics,based on familiar mechanical concepts.Perhaps the most interesting question is the existence,or not,of turningpoints.Putting ˙φ=0into Eqn.(19)we find that E =−g 2(φt )/6f (φt )≡V max evaluated at the turning point(s)φt .The motion is confined to a region where V ≤V max .Thus the model can support motions in which the velocity changes sign,but these motions re-quire higher energy that the minimal orbit,which is unidirectional.Actually nothing in our analysis of this model has depended on the periodicity of φ;upon drop-ping that assumption,we find the curious situation that some unbounded motions have smaller energy than any bounded motion.Avoiding Singularities :If we relax the condition Eqn.(16),by allowing a non-constant W ≡−g 212f −h ,we find that there are initial conditions for which the equations of motion eventually become singular,as discussed pre-viously.We are guaranteed to avoid such conditions if in Eqn.(15)we requireE ≥W max(21)(Note that in any case E ≥W min .)Thus we have models that work smoothly for high energy,but become singular at low energy.That is the opposite of the usual philoso-phy of effective field theory;however it does correspond to the use of perturbative QCD.We might also expect that the quantum-mechanical versions of these models might be more robust,in that the uncertainty in position and velocity might smooth over a small region of singularity.Genuine quantiza-tion of such models –or,for that matter,of the tuned fgh models and the natural,locked models to come –presents interesting issues.The Lagrangian formulation is adequate for path integral quantization,and the higher derivative terms tend to damp the contribution of the most irregular paths,particularly if we continue the time to have a small negative imaginary part.So there are no obvious show-stoppers,but no existence proofs ei-ther.The Hamiltonian formulation poses different issues.As we’ve seen,in interesting cases the Hamiltonian is a multi-valued function of the momentum.This implies that the momentum does not provide a complete set of commuting observables.Wave functions must be defined as functions of expanded spaces.We will report work on this subject elsewhere.What we can discuss simply is semiclassical quan-tization.Thus we consider orbits obeying a Bohr-Sommerfeld conditionS = p dφ= 2π(˙φ3−κ˙φ)dφ=2π (n +δ)(22)with n an integer,and δa correction for turning points.(For simplicity we specialize here to f =14,g =−κ2,and h =0.)If we ignore,at first,the potential,then theminimal energy orbit is at ˙φ=±κ3,and for it S =∓2π2κ3/233/2.If this expression is not equal to 2π (n +δ),the quantiza-tion condition will lead us to a nearby higher-energy orbit for the ground state,with some |n | 1in the relevant (semiclassical)limit.If the potential is small enough,that extra energy will be enough to enforce Eqn.(21),and keep us out of the region where the equation of mo-tion breaks down.Wave packets constructed from n near the preferred value will describe,approximately,the mo-tion prescribed by the classical dynamics.Naturally Flat Directions;Double Sombrero :It can be natural to have energy constant along an orbit,if the points of the orbit are related by symmetry.If we want this situation to occur along a trajectory representing non-trivial motion in the minimum-energy state,then the points assumed at different times must be related by symmetry transformations,which implies that none of them is invariant.So we will be looking at models with spontaneously broken symmetry.Consider first a Lagrangian with a “sombrero”kinetic term:L =14(˙ψ21+˙ψ22−κ)2−V (ψ1,ψ2)(23)The matrix of second derivatives of L with respect to ˙ψi appearing in Eqn.(9)isδ2L δ˙ψi δ˙ψj = 3˙ψ21+˙ψ22−κ2˙ψ1˙ψ22˙ψ1˙ψ2˙ψ21+3˙ψ22−κ(24)This has a zero eigenvalue with eigenvector ˙ψ1˙ψ2pre-cisely when v 2≡˙ψ21+˙ψ22=κ/3.If the potential V has a one-parameter family of degen-erate minima,the minimum-energy solution will move along the trough of V at constant speed κ/3.The potentialV =−µ2(ψ21+ψ22)+λ4(ψ21+ψ22)2(25)is symmetric under ψ1-ψ2rotations and,combined with the kinetic term in Eqn.(23),defines a “double som-brero”model,with circular motion at constant speed in the lowest-energy state.Alternatively we may rewrite this model and its gen-eralizations in terms of polar fields ρand φ,where ψ1+iψ2=ρe iφ≡ϕ.Then the double sombrero La-grangian takes the formL =14(˙ρ2+ρ2˙φ2−κ)2+µ2ρ2−λ4ρ4.(26)If ρis set equal to its value2µ/λat the minimum of V (ρ),this reduces to our original Lagrangian (3).Gen-eralizing,any Lagrangian with a kinetic term that is apolynomial in ˙φ,˙ρ,and ρ,and a potential energy depend-ing only on ρ,will preserve the symmetry φ→φ+η.Charge and Locking :The charge operator associ-ated with the original (broken)symmetry is Q =− i (ϕ∗πϕ∗−ϕπϕ)where πϕ=∂L ∂˙ϕdepends only on ˙φand ρ.Thus in states with constant,non-vanishing val-ues of ρand ˙φwe have a non-zero,uniform density of Q .This is significant in two ways:First:If we suppose that our system is embedded in a larger symmetry-conserving bath and undergoes a tran-sition to the symmetry-breaking state,e.g .that it is a material body cooled through a phase transition,then the transition will necessarily be accompanied by radia-tion of an appropriate balancing charge.Second:Although invariance under both infinitesimal time-translation φ(t )→φ(t + )and infinitesimal phase (charge)translation φ→φ+ηare broken by constant-˙φsolutions φ(t )=ωt +β,the combined transformation with ω +η=0leaves the solution invariant.Thus there is a residual “locked”symmetry.To exploit it,we can go to a sort of rotating frame,by using the shifted Hamilto-nian H=H −ωQ to compute the evolution [3,8].(Here we normalize Q so that ϕhas unit charge.)In the rotat-ing frame,the equations of motion will not contain any explicit time dependence,but there will be a sort of effec-tive chemical potential (associated however with a broken symmetry).The most interesting effects will arise at in-terfaces between the locked phase and the normal phase,or between different locked phases,as exemplified in the preceding paragraph.Space-Time Structure;More Complex States :We can also contemplate slightly more complex examples,that support qualitatively different,richer physical effects.If there is a potential for ∇ϕ,or ultimately for ∇ρ,that fa-vors gradients,then we can have a competition between the energetic desirability of putting ρat the energetic minimum and accommodating non-zero gradients.Un-like the case of time derivatives,there is no general bar-rier to reaching a stable compromise.To keep things simple,let us suppress the underlying ϕstructure and consider the potentialV (ρ)=κ121−aρ2−bdρdx 2 2(27)with a,b >0.This potential is minimized byρ0(x )= a sin( abx +α),which reduces the translation symmetry to a discrete sub-group.Constant ˙φproduces a charge density wave.If we also have a term of the formV gradient =κ22 dφdx −µdρdx 2(28)then at the minimum φ0(x )will develop spatial structureas well,according to φ0(x )=µρ0(x )+β,breaking the phase (charge)symmetry completely.(Note that V gradient respects the symmetry φ→φ+η.)We can engineer similar phenomena involving ˙φmost easily if we work at the level of the energy function.Onecan derive general energy functions involving powers of ˙φfrom Lagrangians of the same kind,so long as there areno terms linear in ˙φ.Thus if we have additional term E kinetic (φ)=κ32dφdx 2−1v 2˙φ2 2(29)then at the minimum we haveφ0(x,t )=µρ0(x,t )+β(30)ρ0(x,t )= 1a sin a b(x ±vt )+˜α .(31)Here in Eqn.(31)we have adapted our solution ρ0(x )for the potential (27)by taking α=±vt +˜α.In doing this we assume that the energy intrinsically associated with time derivatives of ρvanishes (or that it is dominated by the locking effects of Eqns.(28,29)).Both spatial and time translation are spontaneously broken,as is reflected in the disposable constants ˜α,β,and so is time-reversal T ,as reflected in the disposable sign.Combining Eqns.(30,31),we now have a traveling charge density wave.Thus this example exhibits its time-dependence in a physically tangible form.The residual continuous symmetry is reduced to a combined discrete time-space-charge transformation.Although our con-struction has been specific and opportunistic,it serves toestablish the existence of a universality class that,sinceit is characterized by symmetry,should be robust.It is noteworthy that cyclic motion of φin internal space has given rise to linear motion in physical space.Relativistic Lagrangians :All of our constructions above have been nonrelativistic.In a relativistic the-ory there are relations among the coefficients of time and space gradient terms.The relativistic quartic term L ∝((∂0φ)2−(∇φ)2)2leads to an energy that is un-bounded below,for large gradients of one kind or another.But use of a sextic enables positive energy.Indeed,the energy function for ((∂0φ)2−(∇φ)2)n is ((2n −1)(∂0φ)2+(∇φ)2)((∂0φ)2−(∇φ)2)n −1.(32)For n odd this is semi-positive definite,with a zero at (∂0φ)2=(∇φ)2unless n =1.For n even it has no defi-nite sign.Bounded energy requires only that the leading term have odd n and a positive coefficient and that the coefficient of the n =1term be non-negative.This con-sideration seems to have been overlooked and might help to constrain the models of [2][3].Acknowledgements :We thank Maulik Parikh for help-ful discussions.AS is supported in part by NSF Grants PHY-0970069and PHY-0855614.FW is supported in part by DOE grant DE-FG02-05ER41360.[1]F.Wilczek,arXiv:1202.2359[quant-ph].[2]C.Armendariz-Picon,T.Damour and V.F.Mukhanov,Phys.Lett.B 458,209(1999).[3]A.Arkani-Hamed,H.Cheng,M.Luty,S.Mukohyama,JHEP 0405(05):074(2004).[4]A.Winfree,Biological Rhythm Research 8,1(1977);A.Winfree,The Geometry of Biological Time,2nd ed.(Springer,2001).[5]Y.N.Srivastava, A.Widom and E.Sassaroli,in Pro-ceedings of the International Conference on Macroscopic Quantum Coherence ,eds.E.Sassaroli,Y.Srivastava,J.Swain and A.Widom (World Scientific,1998)p.1.[6]M.Henneaux,C.Teitelboim,and J.Zanelli,Phys.Rev.A36,4417(1987).[7]A.Shapere and F.Wilczek,Branched QuantizationarXiv:1207.2677.[8]A.Nicolis and F.Piazza,arXiv:1112.5174[hep-th].。

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