神奇的时间晶体，物理世界的新物质形态，一种四维结晶

时间的概念与晶体的概念，大家都不陌生，但将这两个概念组合在一起，似乎就变得像奇异博士的“时间宝石”一样魔幻了。“时间晶体”就像一个笼罩在神秘面纱下的科幻产物。

对于时间，无论你觉得它主观也好，客观也罢。它就像一条条裹挟万物生灵的河流，我们在其间摇曳摆渡，顺流而下。

对于静止之物，时间总以光速流逝。然而这个世界没有绝对静止之物，哪怕一点的运动也会造成时间流速的改变，只是迟缓的我们让这点时间流速的改变微不可察。

万物的速度（空间内速度）与时间的流速此消彼长，遵循着以30万公里/秒的光速值为对角线的矩形长宽值对应的变化关系。简而言之，时间伴随运动而存在。

而晶体是我们这个世上最美的一种物质结构。地球上没有那个智慧生物在初识它时，不被其美丽所吸引。水晶、钻石、甚至晶莹剔透的各种矿石……都曾是人类争抢的对象，身份的象征，一切美好寓意的载体。

晶体的美不仅局限于外表，而是体现在分子层面。单个原子在无限的晶格中不断重复着，一种周期性的重复结构，形成了肉眼看得见的多面体，成为了三维世界所能呈现出来的绝美物质。

时间晶体概念的由来与质疑

如果宇宙是如爱因斯坦所说空间维+时间维的四维时空，既然在空间维度中存在着重复排列的晶体，那在时间维度上是否也存在着重复排列的晶体？

最早思考这个问题的人是2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工的教授弗兰克·维尔切克Frank Wilczek。2012年，针对这个问题，维尔切克首次提出了时间晶体（time crystal）概念，并在一篇名为《量子时间晶体》的论文中，对它们进行过描述。

一块普通物质，无论何时看上去都是一样的，这被称为可平移的时间对称，这类物质也是我们最熟悉的“平衡态物质”。如果存在一种物质形态会随时间而变化，进而打破时间对称，又在固定时间段上看上去不变，也就是在时间维度上不断周期性地重复它们的结构，这就是“时间晶体”。

这听上去，很像我们熟悉的钟摆运动或者说钟表，但实际上它只是发生在一堆相邻原子中，是一种自发不停重复自身结构的“非平衡态物质”。

有人把它们比喻为在时间维度中结晶，或像原子层面的“永动机”！这听上去完全不可能。这种看似要推翻“能量守恒定律”的逆天想法，在同行评议中当然会受到来自学界的大量质疑。

两位理论物理学家：法国的帕特里克·布鲁诺（Patrick Bruno）和东京的押川正毅（Masaki Oshikawa）是最早分别发表了文章质疑此观点的人，他们称所谓的“时间晶体”只有在系统热量不守恒时才会出现，其实就是否认了“时间晶体”的存在。

时间晶体真得违背能量守恒吗？

根据能量守恒定律，我们很容易形成这样一条共识：在有摩擦力的环境中，运动需要消耗能量。以熟悉的钟摆周期运动为例，其运动是由于势能的存在。如果不施加额外的能量，钟摆最终会因为能量的消耗而停留在最低点，也就是摆钟这个系统能量最低的状态——基态。

日常认知让我们普遍把基态与静止状态对应了起来，但为什么基态不能是运动的呢？

前沿物理的研究向来就是为了打破常识，而且在量子层面，运动还真有可能不需要能量。量子的奇异性质正是“时间晶体”无需外部能量的注入，就能实现周期性变化的秘密所在，只要让这种周期性变化成为一个物质体系的能量基态就行了。

这就好比我们要寻找一台最小势能不在最低点，而在更高一点位置的摆钟。由于弧线摆动，那么钟摆的运动轨迹上就必然存在两个基态点。这样摆钟最终就可以在两个基态点切换出现，看上去就像在两点振荡。

这种情况在日常生活中不可能发生，但在量子的世界中其实早习以为常，比如原子的玻尔半径。

1913年，玻尔提出了原子的玻尔模型，也就是提出了电子运动的能级概念，电子在不同的能级间不连续地跃迁。

以圆周运动做比喻，能级最低的轨道到原子核的距离称为玻尔半径，也是氢原子的半径。原则上多电子的原子中，能级越高轨道半径越大，能级越低轨道半径越小，但描述电子最低能级的玻尔半径却并非最靠近原子核的电子轨道距离。也就是说，能量小的电子不一定比能量高的电子离原子核近。

总之，量子的运动方式颠覆了我们对体系能量基态时物质状态的传统认知，因此“时间晶体”的自发周期性变化并不违背能量守恒。

时间晶体的制作方法

2017年，加州大学伯克利分校的物理学家诺曼·姚（Norman Yao）和他的合作者们发表了一篇名为《离散时间晶体：硬度临界实现》的论文。论文里记录了他们2016年发现的“时间晶体”制作方案。

通过这个方案，哈佛大学和马里兰大学的两个团队分别制造出了他们各自的“时间晶体”。一种全新的物质样本首次面世。

那么，时间晶体究竟是什么样子？

严格来说，时间晶体可以有各种不同的形态。举一个简单的例子，假设你将一堆原子排成一串，每个原子都有一个与之相对应的自旋，以箭头代表其自旋轴。

正常温度下，所有原子的自旋可能表现得杂乱无章，但在温度足够低的情况下，原子的运动降低，其自旋会趋于一致。总体来说，表现为方向相同或者相反，因为这是原子自由排列方式中所需能量最低的一种。

这时如果用激光照射这串原子，激光的振荡电磁场会迫使原子的自旋随着激光有节奏的翻转，原子的自旋模式开始一遍又一遍的重复。这一切应该都能理解，符合基础的物理知识。

然而当你关掉激光，神奇的情况就出现了。原子的自旋翻转模式一样在持续，也就是说没有外来能量，它们一样在周期性地自旋翻转。更神奇地是你还可以用更复杂、不同频率的激光来照射这些原子，你会发现它们的自旋翻转方式与用普通激光照射一样，也就是说外来的能量变化并不改变它的自旋状态。

虽然这种方法因为需要激光的驱动，所以制造的时间晶体并不是系统能量最低的状态，但它确实展现了时间平移对称性的自发破缺，满足了时间晶体的核心概念。诺曼·姚称其为离散时间晶体。

实验结果至少证实了时间晶体概念的正确，诺曼·姚的方法为实现维尔切克所设想的真正的时间晶体提供了一种切实可靠的新思路。

这样的物质到底有什么用？

时间晶体的抗干扰能力，可能成为量子计算领域的重要应用。量子计算的一个问题在于像一切量子现象一样，量子比特的量子态很容易被破坏。比如“生死叠加”的薛定谔猫，即便再多么不可思议，你只需看一眼就能破坏它的叠加态，判它生死。然而时间晶体有能力保留它们的结构。因此时间晶体有可能发展成为构成量子计算机存储器的基础。

当然时间晶体的科技和量子计算机都还在初始阶段，科学家们还需要一段时间才能把这一切弄清楚。或许时间晶体的名字很迷人，但它并没有什么时空穿梭的能力，也不能成为时间旅行的能源。但在维尔切克的设想中，未来如果人类可以对时空晶体进行编程，就可以用它来保存大脑意识，做成一个永恒的代表某种思想的“时光胶囊”。

当然对于时间晶体的深入研究，我们还需要更多时间。