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时间晶体|这不是永动机，这叫时间晶体

时间晶体这个名字总会让人联想到科幻电影 ， 似乎时间已被凝结 。 实际上 ， 时间晶体是指物质的一种非平衡状态 ， 其可以自发地周期性连续运动 ， 即具有时间平移对称性破缺的特性 。 乍一看 ， 难道高端版本的永动机出现了？能量守恒的铁律自然不会被打破 ， 那时间晶体该如何存在？本文将带你揭开时间晶体的奥秘 。
撰文 | 董唯元
时间晶体 ， 是2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院的FrankWilczek教授在2012年提出的新奇概念 。 通俗地说 ， Wilczek教授设想出一种反常的物态 ， 其具有周期性运动模式 。 这种物态是一种稳定物态 ， 就像一个放在碗里的小球总是倾向于安静地待在碗底最低处 。 时间晶体由于动起来反而更稳定 ， 所以会自发的不停运动 。
时间晶体|这不是永动机，这叫时间晶体
Frank Wilczek ， 麻省理工学院教授 。 因提出夸克渐进自由 ， 获2004年诺贝尔物理学奖 。
当然这种粗略的描述还不足以展现时间晶体的奇特之处 。 其实自从超导和超流现象被发现之后 ， 能够自发运动的现象就不再稀奇 。 在适当的外界条件下 ， 许多超导体和超流体中都会自发地产生闭合环流 。 比如用一块磁铁靠近环形的超导材料 ， 就可以在超导环内诱导出源源不断的电流 ， 即使拿走磁铁 ， 环形电流也会一直持续 。 此时的超导环就处于稳定的最低能量态 ， 如果想让电流停止 ， 反倒需要费力地注入额外能量 。
不过超导体内的自发环流 ， 并不是时间晶体 ， 因为环流没有改变超导材料的自身性质 ， 在任何时刻看到的材料其基本特征都还是一模一样 。 而时间晶体则是一种自身性质会随时间变化的物质 ， 在不同时刻进行观察和测量就可能会得到不同的结果 ， 诸如密度或者电导率这样的基本性质 ， 都会不断发生变化 。 而且这种变化具有固定的周期 ， 也就是说 ， 相隔恰好整数个时间周期的两次观察 ， 会看到精确相同的性质 。 这很像在固体晶格上行走时的感受 ， 每跨越整数个晶格距离 ， 就会看到完全相同的空间结构 ， 这也正是Wilczek将其命名为时间晶体的原因 。
时间晶体自身特性的周期性振荡现象 ， 很容易使人联想到早期耗散结构论研究者们关注的振荡化学反应 。 那些在几种颜色中不断循环变化的溶液 ， 也曾给我们留下过深刻的印象 。 而且从数学形式上 ， 时间晶体的理论构造也和耗散系统一样 ， 都依靠非线性方程作为出发点 。 实际上Wilczek在2012年一口气同时发表了两篇文章 ， 分别构造了量子时间晶体和经典时间晶体两种模型 ， 这两个理论模型的共同特点就是都基于非线性的动力学方程 。
当然 ， 除了内在演化机制上都存在非线性这么一个共同点之外 ， 时间晶体与耗散系统在其他方面就完全不是一回事了 。 耗散系统是本可以达到平衡的系统 ， 是在刻意营造的非平衡条件下的表现；而时间晶体则是自身就具有根本无法安安静静达到平衡的特质 。
时间晶体|这不是永动机，这叫时间晶体
图片来源：blogspot.com
就像普通结晶过程破坏了空间平移对称性一样 ， 时间晶体这个概念的真正核心 ， 是对时间平移对称性的破坏 。 在时间晶体面前 ， 时间平移这个操作不再具有连续的对称性 ， 而是变成了离散的对称性 。
最近六十多年来 ， 物理学家们早已习惯了各式各样的对称性自发破缺 ， 从希格斯玻色子到宇宙大爆炸 ， 对称性自发破缺的思想已经渗入现代物理学研究的几乎每一块理论基石 ， 唯独在时间维度上还少有类似机制引入 。 所以当Wilczek提出时间晶体概念之后 ， 自然引起了学界的热心关注 。
依照科学界的一贯优良传统 ， 热烈迎接新理论的第一项活动自然就是严厉的审视和批评 。 尤其是时间晶体这个概念 ， 无论从哪个角度端详 ， 都实在太像槽点满满的永动机 ， 纵使其提出者是位德高望重的诺奖得主 ， 也难免要面对最强烈的质疑 。
法国物理学家Patrick Bruno一马当先 ， 在2013年接连发表数篇文章与Wilczek激烈辩论 ， 其中第一篇论文就毫不客气地直斥时间晶体概念实为永动机的翻版 。 经过几个回合之后 ， Bruno竟然成功地证明了Wilczek所期望的那类运动不可能出现在最低能量态中 ， 从而在理论上排除了依照Wilczek蓝图实现时间晶体的可能性 。 后来日本物理学家Masaki Oshikawa（押川正毅）也加入到论战之中 ， 并在2014年证明了一个更悲观的结论：只要粒子间不存在特别长程的相互作用 ， 那么任何有规律的运动形式都不会出现在热平衡的基态之中 。 ???
Bruno和Masaki Oshikawa的结论 ， 基本上已经终结了Wilczek的最初设想 。 不过时间晶体所包含的时间平移对称性破缺思想 ， 其包含的物理内容实在太过丰富 ， 对理论研究者的吸引力非常强烈 ， 许多研究者实在不忍放弃探索 ， 甚至不惜为此修改时间晶体的定义放宽限制条件 ， 以期在实验中见证时间平移对称性的自发破缺 。
【时间晶体|这不是永动机，这叫时间晶体】为什么物理学家如此衷爱这一思想呢？我们知道时间平移对称性对应着能量守恒律 ， 这是物理学中最基础的定律之一 。 如果这个对称性能够产生自发破缺 ， 至少意味着我们认识和操控能量的手段又会有许多新的进步空间 。 不过好玩的还远不止于此 ， 通过类比空间对称性的情况 ， 我们也可以略微感受一二 。


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