按：什么是时间？可以说是人言人喻。但是，如果从物理学的角度要给时间下一个确切定义，那就恐怕不是蛮容易的事情了。
按照我们通常的理解，时间是一种抽象的物理概念，是一个特殊的物理量，它具有确切的物理属性，但它在本质上没有物质属性。任何物理的，化学的，生物生理的演变过程，都一定是，也必然是物质之间发生相互作用的过程。对于这些过程的或长或短，在物理学中就是用时间来描述。
然而，时间并不能作为客体直接参与物质之间的相互作用。对于某一特定物质系统发生的某种演变过程的时间长短，这是由系统的内在物质属性以及外在环境因素决定的。时间没有物质属性，它的平直流逝速度并不依赖于物质，但我们需要运用物质运动变化的周期性来量度时间，比如太阳、月球、各类时钟，等等。
在地球时空内，用于度量年月日、时分秒的事物或钟表，在我们的物理学中可以统称为地球钟。我们需要警醒的是，地球钟与时间只有表征和被表征的关系，它们各自的物理本质是完全不同的两码事。或者，我们也可以这样来理解时间：时间流逝是绝对的，我们只能选择特定物质系统的运动变化的周期性来记录时间流逝速度，而由于物质系统演变的周期性具有相对性，因而地球钟必然是相对时间。这就告诉我们，时间的绝对性是不可否认的。
爱因斯坦提出的相对论赋予了“时间”的新内涵——时间具有“膨缩”性（相对性）。对于地球钟而言，也就是相对物质的周期性变化规律而言，爱因斯坦无疑是正确的，他开启了我们认识理解宇宙的新时代。但是，由于科学水准的历史局限性，“迈克尔逊-莫雷实验零结果”（按照现在的光学量子科技成就，完全可以对“迈克尔逊-莫雷实验零结果”作出符合量子行为规律的新解释）使得爱因斯坦抛弃了“以太”，也就否定了时间的绝对性一面。这导致了一些非客观的理解蹬上了科学理论平台，极大地妨碍了物理学理论大厦的构建，所付出的代价是惨重的，也是无法衡量的。
有趣的是，科学家们现在在实验室里制造出了时间晶体。所谓的时间晶体，虽然它是一种不可否认的客观存在，但如果把这种现象归结于理论上的时间因素，那就免不了前沿探索继续走弯路，多向上帝交学费的窘境。其实，时间晶体是一种全新的自持性永动机系统，我们应该把注意力集中到探索研究量子和量子行为规律这个主题上来。
石英晶体（图片来源：Pinterest）
物质世界真奇妙：实验室竟然制造出了时间晶体
（本文根据网络信息整理）
“时间晶体”（time crystal）是2004年诺贝尔物理学奖得主、理论物理学家弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）于2012年首先提出的概念。它是什么？如果说一般晶体最核心的特征是空间上的周期性重复特征，那么时间晶体就不仅存在空间上的重复，而且存在时间上的重复。更奇怪的是，它们处在持续振荡的状态中，却没有任何能量。
按照我们通常的理解，晶体是自然界客观存在或人工合成的具有规则形状的物质，比如六角形的雪花，晶莹剔透的水晶，璀璨夺目的钻石，等等。这些固体物质随着温度的变化将发生相变，例如水具有气态、液态、固态三种不同的形态，当温度在水的冰点之下时，水分子的运动越来越慢，最终自发地凝结起来，形成了周期性的等间距的有序排列结构，这时它就无法随意形变或流动了。
爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，除了三维的空间之外，还有一个时间维度。既然在三维空间上有结晶的晶体，那么是否存在时间上结晶的晶体呢？在弗兰克·维尔切克之前并没有人提出这个设问并给出答案。维尔切克认为，“时间晶体”是一种处于基态（能量最低状态）可做周期运动的理论系统，其破坏了时间平移对称性，因此旋转时的能量比静止时还要低，能在不消耗能量的前提下以固定模式运动。
维尔切克最初是在上晶体课时忽然想到“时间晶体”这个概念的。与空间晶体类比，时间晶体就是在时间轴上自发地周期性变化的一类物质。时钟是我们最常见的“在时间轴上周期性变化”的事物，但这种周期性运动不是自发的，它需要外界输入能量来维持（机械钟上发条，电子表换电池），如果没有能量输入，时钟指针最终会静止在能量最低的不动状态。维尔切克定义的时间晶体是一个封闭系统，无需外加的周期性驱动。在这样的系统中，由于旋转时的能量比静止时还要低，系统最终总会耗散到能量更低的不断旋转的状态。按照CPT理论，时间晶体系统自发地出现周期性运动，就是时间上的自发对称性破缺。
维尔切克设想的时间晶体是一个可以自发持续运动的系统，并且在时间上存在周期性的变化。如何实现时间晶体？维尔切克设计了一种目前还不存在的带电材料，它可以由非线性的薛定谔方程来描述，其基态解是一种孤立子。在磁场下，孤立子能量最低的状态将不再是静止的，而是以一定的角速度旋转的状态。但是，这种设计方案有漏洞，因为孤立子的运动状态并不是基态。人们自然想到了超导体金属环，给它加上磁场，在环中就会出现持续不断的电流，这时电子的流动是能量最低的状态，它将永远地流动下去，即使金属环有电阻，在低温下仍然出现从不衰减的电流。显然，这已经很接近时间晶体了。但是，时间晶体的物质密度在时间上是周期性变化的，而有持续电流的超导金属环中并没有出现电子密度随时间的周期性变化。时间晶体是否存在，起初受到了很多人的质疑。
出人意料，这个概念现在已经得到了学界的证实。2016年8月，美国加州大学伯克利分校的物理学家Norman Yao（姚颖）及合作者在预印本网站arXiv上帖出论文，详细报道了在实验室如何制造时间晶体。2017年3月，论文发表在《自然》（Nature）和《物理评论快报》（Physical Review Letters）两份顶级期刊上。目前，已有两组独立科学家团队（马里兰大学合作团队、哈佛大学团队）制造出了时间晶体，证实了这个全新物态的存在。
制造时间晶体需要一个离子阱，它是一种利用电场将带电粒子固定在某一位置上的装置。在极低温度条件下，离子阱可以捕获离子，使离子群形成一个环状的晶体，随后施加一个微弱的静磁场，就能驱动电子自旋。
量子力学指出，离子的自旋能量必须大于0，即便是在这种电子环已经被冷冻至最低能级的情况下也是如此。在这种状态下，如果再不需要电场和磁场来维持这一晶体的形状以及组成它的各个离子的自旋，就意味着获得了一个时间晶体，或者更准确的说是一个时空晶体，因为这个离子环不仅在时间上而且在空间上都是不断重复着自身。由于这一时空晶体已经位于最低量子能态，其时间序列从理论上讲将会永远持续，即便是当宇宙达到熵的极大值，也就是达到"热寂"状态时，情况也是一样。
马里兰大学的时间晶体是通过将十个镱离子排成一列，并使它们的电子自旋相纠缠而得到的。
图片来源：Chris Monroe, University of Maryland
将排列着的镱离子变为时间晶体的关键是使这些离子保持在非平衡态。为此，研究者们用两束激光对其进行交替照射：一束激光用于创造磁场，另一束激光则用于快速地翻转部分原子自旋方向。由于所有原子的旋转纠缠在一起，这些原子最终进入一个稳定、重复的自旋翻转模型中，即成为了时间晶体。
实验表明，创造时间晶体的系统打破了时间对称性。在观察镱原子排列时，研究者们注意到了一些奇特的现象：定期照射镱原子的两束激光使镱原子系统产生了一种周期性重复，但这一运动周期与外加的脉冲周期不一样，它比外加的脉冲周期要长两倍、三倍或者更多倍。并且，在外加驱动下，系统不会或者说很难演化到热平衡态。这种现象在通常的系统中一般是观察不到的。他们的实验展现了时间平移对称性的自发破缺，这正好是时间晶体的核心概念，亦被科研人员称之为“离散时间晶体”。
“如果你轻轻晃动吉露果子冻，却发现它以不同的频率抖动，这不是非常奇怪吗？”Norman Yao说道，“但这就是时间晶体的本质特点。当一个系统接受以T为周期的周期性驱动时，系统会产生一种'同步’，因此你会观察到系统以大于T的周期在振荡。”实验现象意味着在不同的磁场和不同的激光脉冲中，时间晶体会发生物态改变，就像冰块融化一样。
图片来源：Norman Yao, UC Berkeley
哈佛大学制造时间晶体的途径与马里兰大学的不同，他们利用钻石中紧密包裹的氮-空位中心来制造时间晶体，得到了与马里兰大学相同的结果。
图片来源：APS/Alan Stonebraker/Phil Richerme
时间晶体的发现预示着物理学还存在一个全新领域。长期以来，我们一直研究的都是处于“平衡态”的物质，比如金属与绝缘体间的平衡。现在发现宇宙中还存在一些处在非平衡态的奇特物质，时间晶体就是其中一种。非平衡态物质是真实存在的，它被发现将有助于我们理解物质世界和新兴的科学技术（如量子计算）。Norman Yao认为：“时间晶体带给我们的惊喜不仅在于它证明了新的物态的存在，更在于它说明了非平衡态物质的存在。过去我们一直在研究金属-绝缘体等平衡态物质，现在我们才开始探索非平衡态物质这一全新领域。”
印第安纳大学的Phil Richerme并未参与该项目的研究，他认为：“在两种非常不同的系统中都得到时间晶体这一事实表明时间晶体是一种全新的物质状态，而不仅仅属于有限或特定的系统。在不同的系统中均观察到时间晶体这一事实证实了对称性破缺基本可以发生在所有自然领域中，同时也为一些新领域研究开辟了道路。”
时间晶体就像果冻一样，你轻轻一碰，它就一直抖动。与通常的理解不同，这种运动不消耗任何能量。时间晶体就像是在自然的基态条件下持续振荡的“果冻”，它不可能保持静止，这使得它成为一种拥有全新物态的非平衡态物质。在实验室创造时间晶体就是研究非平衡态物质的切入点，是理论观点与实验验证之间的桥梁。
构建一个4维时空晶体，科学家们将拥有一种全新的，更加有效的手段对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用进行研究，或者是研究物理学中所谓的"多体问题"、“量子纠缠现象”。他们相信，在这种状态中，对一个粒子进行操作时，另外一个粒子也会相应地发生变化，即便这两个粒子相隔巨大的距离。
有的人更是脑洞大开，他们基于时间晶体是时空中拥有的一种周期性结构，即便是在宇宙达到热寂之后也是如此，在考虑用它制造时光胶囊，即使所有的生命都死亡枯寂，地老天荒，宇宙尽头，人类保存在胶囊里的回忆也依旧鲜活。
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