時間晶體：物理世界的第四者來了！

美國時間3月8日，《自然》雜誌推出一篇重磅文章，詳細報道了有關時間晶體的創建過程和實驗結果，儘管此前曾有《物理評論快報》和其他科學媒體報道過，但畢竟這回是由《自然》雜誌背書。

這意味著：曾被認為不可能在宇宙中存在的物質形態——時間晶體，不僅理論成立，真實存在，最重要的是竟然被人類造出來了。它的意義，絕對是物理史上的一次重大事件。它的價值，小到可以成為量子計算機里超級完美的內存，大到可以創造科幻般的時空晶體，甚至躲過宇宙熱寂末日。

先說說，什麼是時間晶體？英文版維基百科給出的答案是，時間晶體time crystal，也叫時空晶體space-time crystal，是一種打破時間平移對稱性的非平衡態物質。看不太懂是吧，接著看就懂了。

時間晶體，就是時間上的晶體，一種物質形態，而不是有些人理解的晶體時間，千萬別搞反了。它是跟空間晶體相對應的。

一提到晶體（空間晶體），大家都會想到水晶、鑽石、晶瑩剔透的各種礦石啦，晶體有個最大特點：原子、分子按照周期性結構重複排列，才會形成肉眼看得見的多面體，這是三維世界呈現出來的絕美物質。不過，有人腦洞大開，順著相對論時空觀大膽推導：宇宙是四維的，三維空間+時間維度。既然宇宙間存在三維空間上重複排列的晶體，是不是還會存在時間維度上重複排列的晶體呢？

這個想法既天才、又瘋狂！冒出這個想法的人，正是2004年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工教授弗蘭克·維爾切克Frank Wilczek，他在2012年首次提出時間晶體概念。

他認為，這種物質在現實世界——四維時空里，可以結晶為四維晶體，可以在時間軸上自發地保持周期性運動，這種運動甚至還是固有屬性，無需外部能量的注入，永遠都不會改變——這就意味著它是一種真正意義的永動機！（儘管它不會向外輸出為人所用的能量）

其實，在時間軸上做周期運動的東東，也挺常見。比如機械腕錶，但它的周期性運動不是自發的，需要外部注入能量才能維持運動，我們隔幾天就要上發條。對於腕錶這個運動系統來說，轉動能量總是比靜止時要高，這就必然導致能量耗散。

但，維爾切克教授卻徹底顛覆了這種常識，他認為時間晶體自發運動時的能量消耗，比靜止時還要低，還不需要外部能量的輸入，這就是傳說中的「永遠運動的系統」！

這個極為逆天的想法，當然會遭致學界、同行的大量質疑，甚至有人從數學上證明時間晶體都是不成立的，這方面就不說了。關鍵是理論的創建者維爾切克不為所動，不斷完善理論模型，更有實驗物理學家積极參与，要以實證說話，驗證這個理論到底是真是假？

2016年，來自美國馬里蘭大學、哈佛大學的兩個獨立科學家團隊各自宣稱，他們用不同的方法竟然製造出了時間晶體，論文已發表在相關科學雜誌上接受同行評議。（哈佛小組採用的是在鑽石內部緊密封裝的氮空間，創建了時間晶體；馬里蘭大學團隊則使用了一根 10 個鐿離子組成的鏈，讓原子進入穩定的自旋狀態，形成了時間晶體。具體詳見《自然》雜誌報道The quest to crystallize time：http://www.nature.com/news/the-quest-to-crystallize-time-1.21595）

這就是馬里蘭大學團隊採用一維的鐿離子鏈造出了時間晶體。每一個離子都像電子那樣擁有自旋，它們之間的長程作用力（隨距離的增加而緩慢減少的作用力）如圖中箭頭所指。

尤其值得一提的是，兩個小組採用的製造方案，都來自加州大學伯克利分校Norman Yao諾曼·姚團隊的研究成果。（對他感興趣的點擊http://physics.berkeley.edu/people/faculty/norman-yao）

這位華裔助理教授拿果凍比作時間晶體。「時間晶體就像果凍一樣，你輕輕一碰，它就一直抖動。但這種運動的不同之處在於，它不消耗任何能量。時間晶體就像是在自然的基態條件下持續振蕩的果凍，它永遠不會停下來，這使得它成為一種擁有全新物態的非平衡態物質。」他說的話，到底是什麼意思？時間晶體，其實是一種全新的物質形態，除了我們再熟悉不過的固、液、氣態以外，現在人類已經創造了一種在時間軸上的「顫態」物質！物理世界的第四種形態！

從時間上來說，它打破了時間平移對稱性。從物質形態來說，它是全新的非平衡態物質。所以說，從科學角度給它下的定義：一種打破了時間平移對稱性的非平衡態物質。

那麼到底如何理解呢？大家知道，自然法則本身都是滿足對稱性的。在平地上做力學實驗，和在高鐵上做的實驗，得到的結果是相同的；昨天和今天做相同的實驗，得到的結果也是相同的——這是因為力學原理滿足了空間平移對稱性和時間平移對稱性。

對稱性體現了自然的美與和諧，但是物理體系的穩定狀態（基態）卻不是對稱的。晶體就是一個打破對稱性的典型栗子，在不同的方向上看晶體，看到的是不同的樣子。科學家們管這種自然法則對稱而物質狀態不對稱的現象，叫做自發對稱性破缺。

不過呢，一般晶體在時間這個維度上是連續分布的，在任意時刻觀察它們都會看到同樣的晶體，而時間晶體在不同的時間卻有著不同的基態。

兩個獨立科研團隊實驗表明，在他們創建的時間晶體里，磁場和激光周期性地驅動鐿原子，在系統中產生兩倍速驅力的重複現象——這表示打破了時間平移的對稱性；電子形成不符合時間平移對稱性的三維排列原子的晶體——這一點又打破了物質的對稱性。

這就是實驗物理學家創建的時間晶體，紅色部分是電子自旋形成的非平衡態晶體。

於是，一種打破時間平移對稱性的非平衡態物質，就此誕生了。

對於如此前沿的物理學突破，我們總會習慣性地問一句：它到底有啥實際用途呢？

短期來看，時間晶體具有完美的記憶存儲功能，將來可以在量子計算機上大顯身手。

視野再放遠點，未來50～100年，如果人類能將時間晶體和空間晶體的特性結合起來，製造出一種時空晶體。就像庫茲韋爾預見的奇點時代那樣，把我們的人腦意識上傳到時空晶體里，穿越整個宇宙就不再是科幻空想了。

還有更酷的設想，這種時空晶體據說能夠躲過宇宙末日，即使整個宇宙最終處於熱寂狀態，能量無限耗散，也就是直到宇宙末日，時空晶體也將永遠存續下去。就跟三體Ⅲ描繪的小宇宙能夠躲過大宇宙坍縮一樣，你可以把雲天明送給程心的小宇宙，想像成一個時空晶體。

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