解释宇宙基本结构得用“时空准晶体”理论?

如上图所示，传统准晶体以三维空间形式存在。不过，科学家发现，时空准晶体理论上也可能存在。

来源：世界科学

作者编译：李威

准晶体是一种性质颇为怪异的材料，和晶体一样，这种材料的结构也相当有序，但又没有晶体那样的规律重复模式。科学家早已在陨石和第一次原子弹测试的碎片中发现了准晶体。而现在，他们从理论上发现，准晶体甚至可以进入一个更加奇怪的领域：爱因斯坦狭义相对论中的时空融合框架。

物理学家认为，在宇宙中，准晶体结构不仅可以以二维、三维的空间形式存在，而且可以成为连接时间和空间的桥梁。相关论文于2026年1月提交到了预印本平台上。

虽然准晶体是理论概念，但研究人员认为，时空准晶体或许真会在自然界中出现，甚至可能是支撑整个宇宙的底层结构。

晶体这种结构的最大特征是自我重复。如果你复制某个晶体，再把复制品叠放到原晶体上面，会发现各个节点都能严丝合缝地匹配起来。你可以把这个过程想象成贴瓷砖或者贴壁纸。而准晶体，虽然它们的结构也相当有序，但并不存在这样的完全自我重复特征。

晶体和准晶体都是确实存在于真实世界的数学概念，通常出现在二维或三维材料中。不过，时空准晶体并不必然存在。英国布里斯托大学理论物理学家菲利克斯·弗里克尔（Felix Flicker）说：“我原本感觉，时空准晶体大概是不成立的，但现在好像已经有同行构想出来了。他们构造的这种结构是时空中最优雅的事物。”

虽然准晶体没有自我重复的特征，但它们的有序结构意味着准晶体的各个部分都具有相似的特性。如果有一只蚂蚁坐在某个准晶体的某一部分上，它看到的准晶体结构与另一只蚂蚁在不同位置看到的应该相似。不过，这是日常世界中的准晶体，到了时空领域，还存不存在这样的性质？

时空遵循的是洛伦兹对称性。这种对称性意味着，无论你是坐着不动还是以接近光速的速度运动，看到的事物性质都应该是不变的。举例来说，各种物理定律都应该遵守洛伦兹对称性：无论观测者运动得多快，其适用的物理定律总是不变的。

然而，洛伦兹对称性不适用于正常晶体和我们之前所知的那些准晶体：坐着不动的蚂蚁看到的晶体结构会与以接近光速运动的蚂蚁看到的不同。而在相对论框架下，高速运动的观测者会看到物体明显变短，也即运动速度扭曲了物质结构。

不过，研究人员构想出的这些新时空准晶体倒是遵循洛伦兹对称性。无论是坐着不动的蚂蚁，还是坐在加速上升的火箭上的蚂蚁，看到的这种时空准晶体都是一样的。

这些研究人员在高维点格网络中截取四维切片，再将各个点投射到这些四维切片上，通过这种数学方法构造出时空准晶体的概念。这种四维切片的斜率是无理数——一种不能写成由两个整数构成的分数的数，圆周率π就是一个无理数。而斜率为无理数则意味着这些四维切片永远不会与原本那个高维点格网络上的点相交，这就保证了一定会产生永远不重复的结构。

准晶体原本是一个数学概念，但研究人员发现它的确存在于某些现实材料结构中，并且可能存在于其他任何地方。加拿大滑铁卢圆周研究所的索迪里斯·米格达拉斯（Sotiris Mygdalas）说：“我们生活的时空可能就是一个准晶体。”他表示，时空准晶体可能与某些量子引力理论相关。这些理论认为，在非常小的尺度上，时空会分解成一个个点。而准晶体结构就是一种能在遵守洛伦兹对称性前提下分割时空的框架。

此外，研究人员还研究了能否把这种时空准晶体应用于弦理论——这种理论把基本粒子描述成微小的振动弦，并且提出宇宙可能有十个维度。据此，弦理论的支持者一般会认为，既然我们日常生活于其中的宇宙只有三个空间维度和一个时间维度，那么剩下的六个维度一定蜷曲到了非常小的程度，导致我们无法与其发生相互作用。

而准晶体恰恰提供了一种全部十个维度都蜷曲起来的方法，且同时还能保证看似无尽的时空还是我们现在感受到的样子。只要像构建数学准晶体那样，截取斜率为无理数的切片，便能从蜷曲的空间中构建出无限的时空。

当然，这一切目前都还只是初步构想，究竟是否能成功还需要更多扎实工作验证，提出者自己也称这些想法“半生不熟”。

即便尚不成熟，时空准晶体的概念也无疑是有吸引力的。罗格斯大学理论物理学家格里高利·摩尔（Gregory Moore）称：“时空准晶体的概念在数学上十分美妙，虽然在物理上还属于高度猜想，但无疑值得深入探索。”

资料来源：

Physicists dream up ‘spacetime quasicrystals’ that could underpin the universe

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