科學家稱「時間晶體」有可能真正存在

時間晶體究竟只是一種數學上的假設、還是真的存在呢？自打諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek ）於2012年首次提出時間晶體這一概念以來，物理學家就一直在這個問題上爭論不休。韋爾切克稱，這些假想中的晶體可以呈現出周期性的運動狀態，如在低能量狀態（又稱基態）下沿著環形軌道運動等。而從理論上來說，處於基態的物體所具備的能量是根本不夠讓其運動起來的。

在他提出該理念之後的幾年中，其他物理學家紛紛給出了時間晶體不可能存在的理由，大多數物理學家似乎認為，由於時間晶體的性質太過古怪，因此不可能存在於實際當中。雖然時間晶體無法用來產生有用的能量（因為它們一旦受到擾動，就會停止運行），而且並不違背熱力學第二定律，但它們的確與物理學中一項基礎的對稱性相悖。

不過，來自加州大學聖芭芭拉分校（UCSB）和微軟Station Q實驗室的研究人員在一篇最新發表的論文中提出，時間晶體有可能真正存在。

他們主要關注的是時間晶體最令人驚奇的一點——有人預測稱，時間晶體能夠實現時間平移對稱性的自發性破缺。為了幫助我們理解這句話的含義，研究人員首先解釋了「自發對稱性破缺」的意思。

「顯性對稱性破缺（explicit symmetry breaking）和自發對稱性破缺（spontaneous symmetry breaking）之間最大的區別在於，」 UCSB的一名物理學家、該研究的共同作者多米尼克·埃爾斯（Dominic Else）說道，「如果對稱性出現了顯性破缺，那麼自然法則中就不再含有這一對稱性了；但自發對稱性破缺則意味著，自然法則仍保留著原本的對稱性，但自然卻選擇了另一種不具備對稱性的狀態。」

如果時間晶體真的能自發地打破時間平移對稱性的話，那麼管控時間晶體的自然法則就不會隨著時間的流逝而改變，但由於時間晶體的基態運動狀態，時間晶體本身是會隨著時間而發生變化的，也就自發地打破了這種對稱性。

雖然人們此前從未觀察到過時間上的平移對稱性的自發破缺，但除此之外，其它各類自發對稱性破缺都曾被觀察到過。磁鐵就是一個常見的例子。自然法則無法強制決定磁鐵的哪一頭是北極、哪一頭是南極。但任何磁鐵材料都自發地打破了這種對稱性，選定其中一頭作為北極。另一個例子則是普通的晶體。雖然無論是在旋轉還是平移的空間中，自然法則都不會發生改變，但晶體會自發地打破這些空間對稱性，因為如果改變了觀察角度、或者在空間中的位置發生了些許變化，晶體看上去都會有所不同。

在這項最新研究中，物理學家專門規定了時間平移對稱性發生自發性破缺的條件，然後通過模擬，預測出這一對稱性破缺將會發生在一類名為「弗洛凱多體局部驅動系統」（Floquet-many-body-localized driven systems）的量子系統中。科學家解釋，這些系統的關鍵特徵是，它們永遠都不會達到熱平衡狀態，因此溫度永遠都不會升高。

對時間平移對稱性破缺的最新定義與其它對稱性破缺十分相似。基本上來說，隨著一個系統（比如晶體）的體積增大，從對稱性破缺狀態回歸對稱狀態的時間也會相應延長。而無窮大系統則永遠也無法到達對稱狀態，因此，整個系統的對稱性都處於破缺狀態。

「我們的工作有兩大意義。從一方面來看，它說明了時間的平移對稱性也是可以出現自發性破缺的。」微軟Station Q實驗室的一名研究人員、共同作者貝拉·鮑爾（Bela Bauer）表示，「從另一方面來看，它讓我們進一步了解到，非均衡系統中可以出現很多有趣的物質狀態，而這些狀態在均衡系統中是不存在的。」

據物理學家表示，我們應該可以通過實驗觀察到時間平移對稱性破缺。這需要利用一套由受限原子、受限離子、或超導量子比特構成的大型系統，打造出一塊時間晶體，然後觀察隨著時間的流逝、這些系統會發生怎樣的變化。科學家預測稱，這些系統將會呈現出周期性的振蕩運動狀態，這正是時間晶體的標誌性特徵之一，並且印證了時間平移對稱性破缺的存在。

「我們正在和實驗研究組共同努力，一起探索在低溫原子氣體系統中實現弗洛凱時間晶體的可能性。」此次研究的共同作者舍坦·納亞克（Chetan Nayak）說道。

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