時間晶體確實存在，科學家都造出來了

幾個月以來，科學家們一直思索著這樣一件事——他們可能終於創造了時間晶體。時間晶體具有特殊的原子結構，在時間和空間上都具有周期性。它們處於一種穩定的最低能量狀態，能夠在不需要能量的情況下維持振動。

現在，這一發現已經成為了官方消息——研究人員詳細解釋了如何製作並且測量這種怪異的晶體。兩組獨立的科學研究團隊聲稱，他們已經根據設計圖在實驗室環境下創造出時間晶體， 從而，確認了這一嶄新物質形態的存在。

這一發現聽起來可能非常抽象，但它預示著物理學進入了一個新的階段。畢竟，幾十年來，我們一直在研究金屬和絕緣體等被定義為「平衡態」的物質。

但是，根據預測，宇宙中還存在著更多的處於非平衡態的奇異物質，我們還未能解開這些物質的謎團，時間晶體就是其中之一。現在，我們了解到，這些物質是真實存在的。

事實上，首次發現非平衡態物質的存在不僅有助於我們了解周圍的世界，也能幫助我們在量子計算等新技術領域取得突破性進展。

來自加州大學伯克利分校的負責這一項目的研究員Norman Yao 說：「這是一種新的物質形態。這一形態非常了不起的原因在於，它是第一批非平衡態物質之一。」

「在過去的半個世紀，我們一直在研究像金屬和絕緣體這樣處於平衡態的物質。現在，我們對非平衡態物質領域的探索才剛剛開始。這是一個全新的領域。」

這幾年，時間晶體這一概念一直在科學家的腦海里盤旋。我們不妨來回顧一下時間晶體的研究發展。

2012年，理論物理學家及諾貝爾獎獲得者Frank Wilczek首先預測了時間晶體的存在。他表示，即使是在能量最低的狀態下，一般稱為基態，時間晶體的結構也允許其維持運動。

通常情況下，當一種物質處於基態，也就是系統的零點能量時，它在理論上是不可能運動的。因為，運動是需要耗能的。

但Wilczek預測道，對於時間晶體而言，事實可能並非如此。

普通晶體是一種具有空間周期性的原子結構，比如金剛石晶格。但是，紅寶石或金剛石都是靜止的，因為在基態下它們處於平衡狀態。

然而，時間晶體不僅具有空間周期性，在時間上也具有周期性，這樣它們在基態下就能夠振動。

把時間晶體想像成果凍吧，當你輕輕觸碰果凍時，它會輕輕晃動。時間晶體也同樣如此。但巨大的差異在於，時間晶體的運動不需要任何能量就可以發生。

一塊時間晶體在自然的基態下就像是一個不停晃動的果凍。這也是它成為一種新的物質形態的原因。作為一種非平衡態物質，時間晶體在基態下也會不斷晃動，根本「停不下來」。

然而，確認這些時間晶體的存在是一回事，想要創造它們則是一件完全不同的事。這也是這項新研究的意義所在。

Yao和他的團隊推出了一份設計圖，詳細地描述如何製作時間晶體，並測量其性能。他們甚至還預測了時間晶體周圍的各種物質形態——也就是說，他們勾勒出了普通晶體的固態、液態和氣態分別對應時間晶體怎樣的狀態。

目前，這一研究成果已經發表在《物理評論快報》上，Yao將這篇論文稱為「理論物理和實驗驗證之間的橋樑」。

時間晶體不再僅僅是一種預測了。根據Yao提供的設計圖，兩個分別來自馬里蘭大學和哈佛大學的獨立的研究團隊正在根據說明創建屬於自己的時間晶體。

因為論文還未能出版，我們還需要對這兩個團隊的成果持懷疑態度。但事實上，兩個不同的團隊確實使用了相同的藍圖在不同的系統中創造出了時間晶體。這是非常有前途的。

馬里蘭大學的時間晶體是用10個鐿離子排成一條長龍，電子自旋相互糾纏。

要把這些東西真正變成時間晶體的關鍵是讓離子一直處在非平衡態。為了實現這一目的，研究人員必須不停地用兩種激光輪流照射離子。一束激光的作用是創建磁場，而另一束激光負責部分改變原子的旋轉方向。

因為，所有的原子在旋轉時都是糾纏在一起的，這些原子就會處在一種穩定而重複的旋轉反轉狀態，形成晶體。

這是正常情況，但要創建時間晶體，系統就不得不打破時間對稱性。通過觀察排成長龍的鐿離子，科學家發現了一些奇怪的事。

兩束周期性輪流推動鐿離子的激光每兩個周期就會在系統中產生一次重複，這在正常的系統中是不可能發生的。

「就好像是你輕輕搖動果凍，但不知為何，這塊果凍在下一個不同的周期才會產生反應。這難道不奇怪嗎？」Yao說。

「但這就是時間晶體的特性。你在T周期內對系統進行周期性驅動，但是由於系統同步的問題，你可能會在大於T周期的時段才能觀察到系統的振動。

在不同的磁場作用和激光脈衝下，時間晶體可能會像冰塊融化那樣改變形態。

哈佛大學研究團隊創造了不同的時間晶體。研究人員採用鑽石中心區密實的氮空缺創建了時間晶體，但所獲得的結果是相似的。

「在兩種完全分離的系統中得到如此相似的結果表明：時間晶體是一種完全不同的物質形態，而不僅僅是某些狹小的特定體系中因為好奇心而觀察到的現象。」來自印第安納大學的Phil Richerme解釋說。他並未參與和論文相關的研究。

對離散時間晶體的觀察確認了我們可以在所有的自然範圍內打破對稱性，這對部分新研究有所幫助。

Yao的設計圖已經發表在《物理評論快訊》上，同時哈佛大學和馬里蘭大學有關時間晶體的研究也可在互聯網上查閱。

在此，我們更正2017年1月31日的說法：此前，我們將時間晶體的不斷振動看作是一種處於基態下的永恆運動，這種說法是不準確的。特此更正。

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert，譯者 晴空飛燕，轉載須授權

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