这种神奇的物质状态，从科幻走到现实只花了5年

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在理论物理学中，一些最深奥的预言往往需要几十年的时间才能通过实验得以验证，比如爱因斯坦预测过的引力波，再比如希格斯玻色子，皆是如此。但有的时候也会出现一些例外，有的预言可以在极短时间内就被验证——“时间晶体”就是这样一个例子。

“时间晶体”是一种新颖、奇特的物质状态，自2012年首次被提出之后，仅仅经过5年时间，就完成了理论的提出、反驳、修正，到最终被创造出来的过程。

晶体中的原子在空间中以重复的方式排列，比如钻石和石英。时间晶体中的原子也遵循这种重复模式，但它们是在时间尺度上遵循这种重复模式。正是由于这种奇特的特性，使得时间晶体未来有望能在量子计算等革命性技术中得到应用。

○ 在如食盐等普通晶体中，原子以重复的模式排列。相邻原子之间的相互作用可以使晶体保持刚性，防止它们在轻微的震动下溶解。时间晶体具有同样的刚性模式，但它的重复模式不是出现在空间中，而是在时间维度上。这种重复有点像地球的四季，一年一次，像时钟一样精准。

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时间晶体的故事始于2012年，那一年，诺贝尔奖得主弗兰克·维尔泽克（Frank Wilczek）迈出了至关重要的一步，他依据普通晶体的一个关键特性创造出了时间晶体的概念，这一特性即对称性破缺。

我们可以用液态水为例来理解什么是对称性破缺。在水滴中，分子可以自由移动，它们可以存在于液体中的任何地方。因此，液体在任何方向看起来都是一样的，这意味着它的对称度很高。当水冻结成冰，分子间的吸引力会迫使它们重新排列成晶体，而在晶体中，分子会以一定的间隔排列。这种规律性的排列意味着晶体不能像液体那样对称，因此我们说，液体的对称性在冻结成冰时被打破了。

对称性破缺是物理学中最深刻的概念之一，它不仅存在于晶体形成的过程中，也出现在许多其他的基本过程中，例如解释了亚原子粒子如何获得质量的希格斯机制，就是一个打破对称性的过程。

○ 宇宙诞生之初，一切都应该是对称的。弥漫在宇宙中的看不见的希格斯场相当于一个球在圆碗中央的稳定位置。但是在大爆炸的10⁻¹¹秒后，希格斯场打破了对称性，它从对称的中心移动到了最低能级。

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早在2012年，维尔泽克就提出了这样一个想法，他想知道是否能以晶体在空间尺度上打破对称性的方式，在时间尺度中打破对称性，从而创造出与之等价的晶体。这是第一次提出描述时间晶体概念的理论。

○ 普通晶体打破的是空间对称性，因为并不是每个位置都是相同的，如果对钻石晶格进行随意的移动，得到的晶格并不会与之前的重复。而“时间晶体”打破的是“时间平移”的对称性，如果移动任意的时间，系统会发生改变，但是每隔一段时间系统又会回到原来的状态。

这样的物质具有一种内禀的时间规律，相当于晶体内部的空间规律。对时间晶体来说，晶体的图案会在其物理特性中不断地来回变化，就像一种永远重复的心跳，跟永动机有点像。

永动机是一种可以在没有能量来源的情况下无限运转的机器，是不被物理学定律所允许的存在，维尔泽克意识到了他所提出的时间晶体理论在这一点上是非常奇怪的。2015年，另一组理论物理学家证明这类永动的晶体的确不可能存在。

但这并不是故事的结局。2016年，新的研究表明在理论上，时间晶体可以存在，但前提是存在某种外部驱动力。其想法是时间的规律性要以某种方式隐匿起来，它隐藏在视线之外，但在注入了一点能量之后就能唤醒这种规律，将它带回到视野中。这解决了永动机的悖论，为时间晶体的存在带来了新的希望。

接着，在2016年的夏天，arXiv上出现了一篇讨论创造和观测时间晶体的条件的论文，不久后这篇论文被发表在了经同行评审的期刊《物理评论快报》上。论文的作者们研究了一种被称为量子自旋的粒子属性，讨论了量子自旋可以如何被外力以一定的时间间隔反复逆转。他们预测，如果能让一组粒子实现这一点，那么粒子之间的相互作用就能让它们产生自旋振荡，从而创造出一个被“驱动”的时间晶体。

在几个月的时间里，有两个不同的实验小组接受了这项在实验室中创造时间晶体的挑战。其中一组向一列镱原子发射激光脉冲，产生了有别于脉冲的原子振荡，意味着镱原子表现出了时间晶体的行为。另一个团队则专注于一个完全不同的系统，他们聚焦在钻石晶体中的杂质上，利用微波，以一定的时间间隔来扰动杂质，结果观察到了与第一小组相同类型的时间晶体振荡。

最终，时间晶体被创造了出来，维尔泽克的思想得到了证实。

2019年11月，一篇发表在《物理评论快报》的研究提出了一种可以在完全与环境隔绝的条件下创造出时间晶体的方法。与以往需要激光脉冲来启动自旋振荡的实验不同，在新的研究中，研究人员证明了在没有激光或其他外力的情况下，也有可能绕过热力学约束的限制，制造出时间晶体。

研究人员模拟了这样一组粒子，其自旋在长距离上相互作用，使得一个粒子的量子态可以反映另一个遥远粒子的量子态。模拟结果表明，如果所有粒子都全部以自旋向上和全部自旋向下的叠加态开始，那么系统应该能表现出时间晶体的行为。他们认为，这一模拟结果可以在一个相互作用的量子比特系统（如囚禁离子）中加以检验。

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时间晶体的预测、实现和发现为量子力学开启了新的篇章，它带来了与这种新发现的物质状态的性质有关的问题，以及如时间晶体是否可能在自然界中出现等问题。

普通晶体的对称性破缺特性导致了声子超材料和光子超材料的产生，它们被设计来作为能对声波震动和光进行选择性控制的材料，可用于提高假肢的性能，或者提高激光和光纤的效率。因此，打破时间对称性的时间晶体所具有的特性，很可能让它们也在新奇的领域发挥作用，例如它能利用原子的固有特性来存储和处理数据，从而可以成为用于量子计算的时间超材料。

时间晶体的故事始于一位理论物理学家的一个美丽的奇思妙想，仅用了短短几年的时间，它就以结论性的实验证据结束了它的第一篇章。随着科学家越来越多地验证他们的理论，物理学将表现出比以往任何时候都更加活跃的生命力。

参考来源：

https://theconversation.com/time-crystals-how-scientists-created-a-new-state-of-matter-73104

https://physicsworld.com/a/in-search-of-time-crystals/

https://www.princeton.edu/news/2017/03/08/researchers-create-time-crystals-envisioned-princeton-scientists

https://physics.aps.org/articles/v10/5

https://www.nature.com/news/the-quest-to-crystallize-time-1.21595

https://physics.aps.org/articles/v5/116

https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.123.210602