對多數(shù)人而言，提到晶體就會聯(lián)想到鉆石等各種寶石，但對物理學(xué)家來說，這些由規(guī)則原子結(jié)構(gòu)在空間重復(fù)排列的晶體只代表冰山一角。近期，《自然》雜志以“時間晶體”為封面，介紹7兩篇重要論文，美國哈佛大學(xué)和馬里蘭大學(xué)的兩個科研團(tuán)隊首次用不同方法同時制造出了“時間晶體”，宣告這不再只是科幻劇中的虛擬想象，而是一種實實在在的真實存在，更為人類研究物質(zhì)特性打開了全新的思維方式。

什么是時間晶體，難道真是把時間凝固結(jié)晶嗎？時間晶體又有什么用呢？清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心尹璋琦博士也曾提出過“量子時空晶體”等理論方案，引發(fā)廣泛的關(guān)注與報道，就讓他來告訴你答案吧。

“生生世世，不離不棄，直到地老天荒，直到宇宙盡頭……”當(dāng)我們面對美妙的愛情時，總會發(fā)出上述誓言。盡管誓言鏗鏘，可總會留下一個否定和陰暗的結(jié)尾，比如宇宙的盡頭和地老天荒什么的。在我們的潛意識中，再美好的感情、再美妙的關(guān)系，總有結(jié)束的那一天，因為沒有人能夠敵過死亡。就算是宇宙，也可能會有熱寂的那一天。如果我們的宇宙不斷膨脹，終究有一天，它將會冷卻到絕對零度附近，我們再也無法獲取維持生存所需的基本能量。因此，一旦我們發(fā)誓維系某段感情到地老天荒時，潛意識中已經(jīng)把這作為最極端的誓言了。

現(xiàn)在，我要介紹一種新的物質(zhì)，利用它制造出的時光膠囊，即使到了宇宙的盡頭，即使所有的生命都死亡了、枯寂了的時候，仍舊能夠保存我們那些最珍貴的回憶。擁有這樣的時光膠囊，即使地老天荒，我們留下的回憶仍舊鮮活。

什么是時間晶體？

要理解這種全新的物質(zhì)，讓我們從最常見的晶體材料說起。在我們的生活中，有很多天然具有規(guī)則形狀的物質(zhì)，比如說六角形的雪花、晶瑩剔透的水晶、璀璨奪目的鉆石。這些固體物質(zhì)就是我們常說的晶體。我們知道，隨著溫度的不同，水具有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)3種不同的形態(tài)。之所以有這么大的區(qū)別，是因為隨著溫度的降低，水分子的運動越來越慢，在冰點之下就自發(fā)地凝結(jié)起來了，形成了周期性的有序結(jié)構(gòu)。水分子按照一定的空間周期等間距地排列起來，所形成的冰自然無法隨意形變也無法流動。

愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有一個維度就是時間。既然我們周圍有這么多在三維空間上結(jié)晶的晶體，是不是也存在著在時間上結(jié)晶的晶體呢？這應(yīng)該是一個很自然的設(shè)問。不過在諾貝爾物理學(xué)獎獲得者維爾切克之前，還沒有人提出這個設(shè)問并給出答案。

維爾切克接受記者采訪時說，他最初是在上晶體這門課程時想到了“時間晶體”這個概念的。如果與空間晶體類比，那么時間晶體就可以定義為在時間軸上自發(fā)地周期性變化的一類物質(zhì)。在時間軸上周期性變化的事物我們也見過很多，比如說我們戴的手表。但這些事物的運動都不是自發(fā)的，需要外界輸入能量才能維持其運動。機(jī)械表隔幾天要上發(fā)條，電子表過上一年半載要換電池，繞太陽旋轉(zhuǎn)的地球越轉(zhuǎn)越慢……因為對這些系統(tǒng)來說，運動的能量總是比靜止時要高。所以總會發(fā)生能量耗散，最終系統(tǒng)停止在能量最低的狀態(tài)。而維爾切克發(fā)現(xiàn)，對一類特殊的系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)時的能量比靜止時還要低，那么這種系統(tǒng)最終總會耗散到不斷旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。這被稱為時間上的自發(fā)對稱性破缺。

鏈接

弗蘭克·維爾切克，被譽(yù)為美國最杰出的理論物理學(xué)家之一，在粒子物理、黑洞的量子理論、凝聚態(tài)場論和量子物質(zhì)等研究領(lǐng)域作出了巨大貢獻(xiàn)，曾獲2004年諾貝爾物理學(xué)獎。

如何實現(xiàn)時間晶體？

有關(guān)持續(xù)運動的系統(tǒng)，人們已經(jīng)找到了一些實例。比如對于一個很小的超導(dǎo)體金屬環(huán)來說，如果我們給它加上磁場，那么環(huán)中就會出現(xiàn)持續(xù)不斷的電流。對于這個系統(tǒng)，電子流動時是能量最低的狀態(tài)，它將永遠(yuǎn)地流動下去。這個例子似乎并不讓人吃驚?？扇绻饘侪h(huán)的尺度非常微小，我們將不得不用量子力學(xué)來分析它。我們發(fā)現(xiàn)，即使金屬環(huán)有電阻，在低溫下給金屬環(huán)通上磁場，里面也會出現(xiàn)從不衰減的電流。從某種程度而言，這已經(jīng)很接近時間晶體了。但是時間晶體的物質(zhì)密度在時間上存在周期性變化，而有持續(xù)電流的金屬環(huán)中，并沒有出現(xiàn)電子密度隨時間的周期性變化。

為了實現(xiàn)真正的時間晶體，維爾切克設(shè)計了一種不存在的帶電材料，它可以由非線性的薛定諤方程來描述，其基態(tài)解是一種孤立子。在磁場下，孤立子能量最低的狀態(tài)將不再是靜止的，而是以一定的角速度旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)。與持續(xù)電流不同，孤立子旋轉(zhuǎn)起來時，在圓環(huán)上會出現(xiàn)物質(zhì)密度的周期性變化，也就是說出現(xiàn)了真正的時間晶體。

薛定諤方程

在量子力學(xué)里，薛定諤方程是描述物理系統(tǒng)的量子態(tài)怎樣隨時間演化的偏微分方程，為量子力學(xué)的基礎(chǔ)方程之一，以發(fā)表者奧地利物理學(xué)家薛定諤而命名。非線性薛定諤方程是一個含有孤立子波解的非線性方程。

基態(tài)

原子、原子核等所具有的各種狀態(tài)中能量最低、也最穩(wěn)定的狀態(tài)。

馬里蘭大學(xué)的科研團(tuán)隊將10個帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個磁場，用另一束激光反轉(zhuǎn)原子的自旋方向，一遍一遍地重復(fù)該過程，最終讓原子進(jìn)入在時間上重復(fù)，且周期為外加驅(qū)動周期兩倍的模式，從而制造出離散型“時間晶體”。

哈佛大學(xué)的科研團(tuán)隊以金剛石和其中100萬個隨機(jī)分布的氮一空位為實驗平臺，制備出一種離散型“時間晶體”。此系統(tǒng)的周期可以達(dá)到外加驅(qū)動周期的兩倍，乃至三倍。

時光膠囊，讓美好的回憶永存

對于時間晶體，我們還有另外一種稱呼——“永遠(yuǎn)運動的系統(tǒng)”，但這并不意味著它能像想象中的永動機(jī)那樣無中生有地不斷提供能量。時間晶體的運動是不需要外部能量輸入的，同時它也不能向外輸出能量而不改變自身運動狀態(tài)。如果我們把空間晶體和時間晶體的概念綜合起來，那么實際上就存在一種特殊的物質(zhì)，可以同時在四維時空中結(jié)晶，形成所謂的時間一空間晶體。

時空晶體最酷的一點就是它能在絕對零度附近保持運動。因此維爾切克設(shè)想未來有一天，隨著技術(shù)的高度發(fā)展，我們可以對時空晶體進(jìn)行編程，設(shè)計出復(fù)雜的周期運動回路，代表不同的比特，以及比特間的運算，然后把我們的人腦意識上傳到這個時空晶體中。這種攜帶了人腦意識的時間晶體，可以稱之為時光膠囊。與通常意義上的計算機(jī)不同，它并沒有輸出，只能周而復(fù)始地重復(fù)我們預(yù)先編制好的程序。我們可以把自己一生中最美好最難忘的回憶和感受存在其中，不斷重演那些最美妙的瞬間。擁有了這樣的時光膠囊，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，我們那些美妙的情感仍舊永存。把愛保留到宇宙盡頭之后，也許會是我們研究制造時間晶體最浪漫的動機(jī)。

（責(zé)任編輯：白玉磊 責(zé)任校對：夏越）