爱在钻石边缘

　　作者：孙小彪 　　 　　时间结晶 　　《三体》里有唯美的诗。我送了她礼物。那是一个很小的凝固时间，时间上有美丽的图案，像浅海的泥一样柔软。在SF作品中，时间是可以触摸到的实体，是送给恋人的礼物，其中保存着两个人的浪漫，在宇宙的尽头，这段浪漫不会消失。 　　时间晶体在英语中被称为time crystals，也称为时空晶体，是在空间上和时间上都具有周期性结构的4维晶体。我们日常接触的是固、液、气三种基本物质形式，随着科学的发展，物质形态的概念也被扩展，例如等离子体状态、波色-爱因斯坦凝集状态、超临界流体等。时间晶体是一种新的物质形式，也是打破时间平行运动对称性的非平衡物相。 　　诺贝尔物理学奖获奖者弗兰克·比尔切克（Frank Wilczek）在2012年提出了时间晶体的概念。3D空间的结晶，冰和钻石等，不太有名。晶体是微观粒子在空间上周期性排列的几何对称结构。大楼检查让学生在课堂上把三维晶体的概念扩展到了4次元时空，开始考虑能不能以时间的次元周期性地排列物质。也就是说，时间晶体在不同的时间点具有不同的状态，并且这种状态的变化是周期的。举一个通俗的例子，一个时间晶体第一秒是白糖，第二秒是红糖，第三秒有可能回到白糖。 　　 　　图|弗兰克・维尔格纹（出典：frankawilczek.com） 　　三维晶体具有空间平行运动对称缺陷，并且在等比中，时间晶体也应该具有时间平行运动对称缺陷。空间平行对称性（symmetry of space translation）是指在物理系统在空间的某个方向上平行移动任意距离之后，物理规律没有变化。简单来说，在不同的地方做同样的实验，得到的结果是一样的。另一方面，时间平行对称性在不同的时间进行相同的实验，获得的结果相同。 　　对称有高低之分，圆形比矩形的对称性高。液体的水是各向同性的，固体的冰是各向异性的，水的对称性比冰高。这种从高对称到低对称的过程被称为对称缺陷。只有在整数个晶格常数的距离上移动了三维晶体才具有相同的空间结构，并且时空晶体也通过特定的时间返回到初始状态。也就是说，1、3、5等奇数秒可见的白糖，2、4、6等偶数秒可见的红糖，红糖和白糖的区别在于时间晶体的时间平行对称性缺失。 　　 　　新的永恒动机？ 　　1918年，德国女数学家艾米·诺特（Emmy Nother）提出了物理学上重要的诺特定理。也就是说，存在与对称性相关的保存法则，反之亦然。空间平行运动对称性对应于动量守恒，空间旋转对称性对应于角动量守恒，时间平行运动对称性对应于能量守恒。时间晶体打破了时间平行运动对称性，但是由于时间晶体没有能量输入和能量输出，所以不违反能量守恒定律。 　　 　　（出典：Pixabay） 　　时间晶体像时钟一样，秒针经过60秒后会回到原来的位置，反复进行。但是，时钟指针的旋转需要机械能量和电能等外部能量输入，时间晶体不需要外部能量输入。因为时间晶体处于最小的能量基态。这似乎是矛盾的，时间晶体可以实现时间平行运动对称性的缺陷，这意味着随着时间的推移而变成自身的状态，即不断运动的状态。物体不断运动表明，多余的能量在消耗能量而不运动之前会分散。 　　在一般的系统中，运动时的能量比静止时的要高。然而，在一些特殊系统中，运动时的能量低于静止时的能量，该系统经过能量耗散，最终达到不断运动的基态，这被称为时间自发对称缺陷。 　　有一个经典的例子是自发对称缺陷：假设有墨西哥的帽子，小球停在帽子上，小球从帽子上面沿着帽子滑下去的概率相等，这时系统具有旋转对称性。小球掉落后，只需向一个方向掉落，就会破坏系统本来的对称性。这种对称性的破坏不是由物理规律决定的，而是由球体本身的不稳定性引起的，这是自发对称性的缺陷。 　　 　　图|墨西哥帽（出典：Pixabay） 　　时间晶体的这些性质听起来像永动机，但是时间晶体的运动没有外部能量输入，同时其动能也不能用于外部输出，所以时间晶体不是永动机。时间晶体在基态时会继续运动，所以可以用来传递信息。当物质处于绝对零度时，周围的物质处于静止的基态，而时间晶体继续在能量较低的基态下运动。对于这一点，科学家有着奇妙的构想，宇宙持续增加熵，最终达到热寂状态后，时间晶体处于能量较低的基态，因此能够维持运动。 　　 　　时间结晶的实现 　　时间晶体理论模型的建议是一个，实现也是另一个。时间晶体的概念被很多科学家怀疑，认为是不可能存在的。2016年，加利福尼亚大学伯克利分校的诺曼Yao（Norman Yao）设计了制作时间结晶的详细蓝图。姚把他的蓝图比作连接理论模型和实验方法的桥梁。 　　 　　图|诺曼•姚时间晶体制造方法的论文（出典：journals.aps.org） 　　根据姚明的蓝图，马里兰大学和哈佛大学的两支球队分别独立制作了时间结晶。两个小组采用了不同的方法，但得到了相似的结果，证明了时间晶体确实是新的物体。 　　有必要指出，时间晶体被分成连续时间晶体和离散时间晶体。目前实现的时间晶体都属于离散时间晶体。连续时间晶体难以实现，目前还在讨论中。 　　雷切尔的时间晶体不完美，现在只能持续50个循环。将来，时间晶体可以用作量子计算机中的存储方法。或许，时间的结晶不像漫威电影中时间的宝石那样SF，而是像《三体》里的诗一样浪漫：她会把时间涂遍全身，然后把我拖到存在的边缘。 　　对于物理学家来说，发现时间结晶就像发现了新大陆一样，但还不知道这个新大陆是沃土还是沙漠。 　　神秘的时间晶体面纱还需要时间。 　　参考资料： 　　[1]https://www.science.org/content/article/physicists-produce-biggest-time-crystal-yet 　　[2]https://www.scientificamerican.com/article/time-crystals-could-be-legitimate-form-perpetual-motion/ 　　[3]https://www.sciencealert.com/scientists-have-just-announced-a-brand-new-form-of-matter-time-crystals 　　转载内容只代表作者的观点 　　不代表中科院物理所的立场 　　需要转载的话请联系原来的公众号 　　出典：学术顶尖 　　编辑剪辑：Parthurnax Parthurnax