科学家发现“时间晶体”，违背牛顿第三定律

在过去的三个多世纪里，牛顿第三定律如同一个不可侵犯的圣殿统治着物理学世界。

每一个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力。这条法则解释了从我们走路时脚如何推动地面到火箭如何升空的一切现象。它是如此根深蒂固，以至于我们把它视为宇宙运行的基本法则。但现在，纽约大学的研究人员用一个看似简单的实验打破了这个有着几百年历史的物理信条。他们创造了一种违背牛顿第三定律的新型"时间晶体"，悬浮在声波垫上摇摆舞蹈。这不是科幻小说，这是实验室里正在发生的物理学。

从空间到时间的晶体结构革命

要理解这个发现的意义，首先需要理解一个基本概念的转变。

我们都很熟悉普通的晶体。钻石、食盐、雪花，这些东西都是晶体。它们的特征是原子或分子在空间中排成高度有序的重复模式。整个结构在三维空间中展现出规律性和对称性。这种思维方式已经被科学家们研究了数百年。

但在2012年，麻省理工学院诺贝尔奖得主物理学家弗兰克·维尔切克提出了一个激进的想法：如果晶体的有序模式不是在空间中重复，而是在时间维度中重复呢？这就是"时间晶体"的概念。在时间晶体中，粒子在循环过程中来回运动，形成一种在时间上周期性重复的结构。这个理论提出时就令人惊讶，但当时它仅仅是理论预测，没有人知道如何在实验室中真正制造出来。

到了2026年，纽约大学的团队终于把这个理论变成了现实。而且他们的方法极其简单，这正是这个发现最令人惊讶的地方。

用泡沫珠和声波创造的魔法

纽约大学的研究人员做的事情看起来简单得近乎荒诞。

研究人员通过将泡沫塑料珠悬浮在声波“垫”上，创造了一种新型时间晶体|纽约大学软物质研究中心

他们拿来普通的泡沫塑料珠，就像包装材料中使用的那种，然后将这些珠子悬浮在两组扬声器之间约六英寸的距离中。这些扬声器产生声波，形成一个被称为"驻波"的声场。这个声波垫就像一个无形的床垫，托起这些珠子克服重力的束缚，使其悬浮在半空。

纽约大学物理学家大卫·格里尔解释说，他们的系统之所以非凡，正是因为它极其简单。这不像其他需要量子计算机或极低温度的时间晶体实验。任何人几乎都可以用最基础的材料复制这个实验。

一旦珠子悬浮在声场中，奇妙的事就开始发生。单个粒子通过散射声波相互作用。这里有一个关键的非对称性：较大的粒子比较小的粒子散射更多的声音。这意味着较大的粒子对较小的粒子的影响力更大，而较小的粒子对较大的粒子的影响力较小。这是一种不对称的、非互惠的相互作用。

剑桥大学三一学院教堂内艾萨克·牛顿雕像的库存图片| Joaquin Ossorio-Castillo

想象两艘大小不同的渡轮驶向码头，各自激起水波来推动对方。但推动的程度完全取决于它们的大小。大渡轮会强烈推动小渡轮，而小渡轮对大渡轮的推动力却微乎其微。这就是发生在这些珠子身上的事情，只不过用的是声波而不是水波。

牛顿的幽灵与物理学的新疆域

这个实验最引人注目的地方在于，这种非互惠的波介导相互作用似乎逃脱了牛顿第三定律的约束。

上面的定格动画图像展示了成对的珠子在大约三分之一秒的时间内形成时间晶体的过程。不同的颜色代表不同的珠子……阅读更多纽约大学软物质研究中心

按照传统物理学，两个物体之间的相互作用应该是相等且相反的。但在这个时间晶体系统中，情况并非如此。珠子们进行的是非互惠运动，它们不受平衡力的约束。这似乎违反了我们对物理学最基本的理解。

然而，物理学家们指出，这并不是真正的违反。波也在进行相互作用，并且一些动量被波本身携带走了。所以从某种意义上说，牛顿第三定律并未被打破，而是扩展到了一个更复杂的系统中。但无论如何，这种现象本身就代表了物理学的一个新疆域。

这个发现的潜在应用同样令人兴奋。纽约大学的研究人员认为，这个发现可以帮助我们更深入地理解支撑我们生物钟的昼夜节律。这是因为我们身体内的一些生化网络，比如食物消化系统，也像这些漂浮的珠子一样，以非互惠的方式相互作用。这意味着从时间晶体的研究中学到的原理可能对生物学和医学有深远的影响。

除此之外，时间晶体的特性可能在量子计算、数据存储和其他先进技术领域找到实际应用。如果我们能更好地理解和控制这些系统，我们就可能在多个领域实现突破。

基础科学的深刻意义

这个看似简单的实验实际上触及了物理学的根本问题。

从伽利略到牛顿再到爱因斯坦，物理学一直在不断扩展我们对自然规律的理解。每一次重大发现都挑战了我们之前的假设，推动我们进入新的知识领域。时间晶体的发现遵循了同样的模式。它不是否定牛顿的成就，而是表明我们对物理学的理解仍然不完整。

弗兰克·维尔切克在2012年提出时间晶体概念时，许多人认为这只是一个有趣的理论猜想。但现在，纽约大学的团队证明了它是可以在真实世界中实现的。而且实现的方式是如此优雅而简洁，以至于任何有基础实验室的研究机构都可以重复这个实验。

这代表了科学研究的一个重要转折点。基础科学不总是需要最复杂的仪器或最高的技术才能取得突破。有时候，最深刻的洞见来自于对最简单系统的观察。一些泡沫珠和声波，结合对物理学的深刻理解，就能够打破有几百年历史的物理学教条。