這種神奇的物質狀態，從科幻走到現實只花了5年

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在理論物理學中，一些最深奧的預言往往需要幾十年的時間才能通過實驗得以驗證，比如愛因斯坦預測過的引力波，再比如希格斯玻色子，皆是如此。但有的時候也會出現一些例外，有的預言可以在極短時間內就被驗證——“時間晶體”就是這樣一個例子。

“時間晶體”是一種新穎、奇特的物質狀態，自2012年首次被提出之後，僅僅經過5年時間，就完成了理論的提出、反駁、修正，到最終被創造出來的過程。

晶體中的原子在空間中以重複的方式排列，比如鑽石和石英。時間晶體中的原子也遵循這種重複模式，但它們是在時間尺度上遵循這種重複模式。正是由於這種奇特的特性，使得時間晶體未來有望能在量子計算等革命性技術中得到應用。

○ 在如食鹽等普通晶體中，原子以重複的模式排列。相鄰原子之間的相互作用可以使晶體保持剛性，防止它們在輕微的震動下溶解。時間晶體具有同樣的剛性模式，但它的重複模式不是出現在空間中，而是在時間維度上。這種重複有點像地球的四季，一年一次，像時鐘一樣精準。

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時間晶體的故事始於2012年，那一年，諾貝爾獎得主弗蘭克·維爾澤克（Frank Wilczek）邁出了至關重要的一步，他依據普通晶體的一個關鍵特性創造出了時間晶體的概念，這一特性即對稱性破缺。

我們可以用液態水為例來理解什麼是對稱性破缺。在水滴中，分子可以自由移動，它們可以存在於液體中的任何地方。因此，液體在任何方向看起來都是一樣的，這意味著它的對稱度很高。當水凍結成冰，分子間的吸引力會迫使它們重新排列成晶體，而在晶體中，分子會以一定的間隔排列。這種規律性的排列意味著晶體不能像液體那樣對稱，因此我們說，液體的對稱性在凍結成冰時被打破了。

對稱性破缺是物理學中最深刻的概念之一，它不僅存在於晶體形成的過程中，也出現在許多其他的基本過程中，例如解釋了亞原子粒子如何獲得質量的希格斯機制，就是一個打破對稱性的過程。

○ 宇宙誕生之初，一切都應該是對稱的。瀰漫在宇宙中的看不見的希格斯場相當於一個球在圓碗中央的穩定位置。但是在大爆炸的10⁻¹¹秒後，希格斯場打破了對稱性，它從對稱的中心移動到了最低能級。

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早在2012年，維爾澤克就提出了這樣一個想法，他想知道是否能以晶體在空間尺度上打破對稱性的方式，在時間尺度中打破對稱性，從而創造出與之等價的晶體。這是第一次提出描述時間晶體概念的理論。

○ 普通晶體打破的是空間對稱性，因為並不是每個位置都是相同的，如果對鑽石晶格進行隨意的移動，得到的晶格並不會與之前的重複。而“時間晶體”打破的是“時間平移”的對稱性，如果移動任意的時間，系統會發生改變，但是每隔一段時間系統又會回到原來的狀態。

這樣的物質具有一種內稟的時間規律，相當於晶體內部的空間規律。對時間晶體來說，晶體的圖案會在其物理特性中不斷地來回變化，就像一種永遠重複的心跳，跟永動機有點像。

永動機是一種可以在沒有能量來源的情況下無限運轉的機器，是不被物理學定律所允許的存在，維爾澤剋意識到了他所提出的時間晶體理論在這一點上是非常奇怪的。2015年，另一組理論物理學家證明這類永動的晶體的確不可能存在。

但這並不是故事的結局。2016年，新的研究表明在理論上，時間晶體可以存在，但前提是

接著，在2016年的夏天，arXiv上出現了一篇討論創造和觀測時間晶體的條件的論文，不久後這篇論文被髮表在了經同行評審的期刊《物理評論快報》上。論文的作者們研究了一種被稱為量子自旋的粒子屬性，討論了量子自旋可以如何被外力以一定的時間間隔反覆逆轉。他們預測，如果能讓一組粒子實現這一點，那麼粒子之間的相互作用就能讓它們產生自旋振盪，從而創造出一個被“驅動”的時間晶體。

在幾個月的時間裡，有兩個不同的實驗小組接受了這項在實驗室中創造時間晶體的挑戰。其中一組向一列鐿原子發射激光脈衝，產生了有別於脈衝的原子振盪，意味著鐿原子表現出了時間晶體的行為。另一個團隊則專注於一個完全不同的系統，他們聚焦在鑽石晶體中的雜質上，利用微波，以一定的時間間隔來擾動雜質，結果觀察到了與第一小組相同類型的時間晶體振盪。

最終，時間晶體被創造了出來，維爾澤克的思想得到了證實。

2019年11月，一篇發表在《物理評論快報》的研究提出了一種可以在完全與環境隔絕的條件下創造出時間晶體的方法。與以往需要激光脈衝來啟動自旋振盪的實驗不同，在新的研究中，研究人員證明了在沒有激光或其他外力的情況下，也有可能繞過熱力學約束的限制，製造出時間晶體。

研究人員模擬了這樣一組粒子，其自旋在長距離上相互作用，使得一個粒子的量子態可以反映另一個遙遠粒子的量子態。模擬結果表明，如果所有粒子都全部以自旋向上和全部自旋向下的疊加態開始，那麼系統應該能表現出時間晶體的行為。他們認為，這一模擬結果可以在一個相互作用的量子比特系統（如囚禁離子）中加以檢驗。

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時間晶體的預測、實現和發現為量子力學開啟了新的篇章，它帶來了與這種新發現的物質狀態的性質有關的問題，以及如時間晶體是否可能在自然界中出現等問題。

普通晶體的對稱性破缺特性導致了聲子超材料和光子超材料的產生，它們被設計來作為能對聲波震動和光進行選擇性控制的材料，可用於提高假肢的性能，或者提高激光和光纖的效率。因此，打破時間對稱性的時間晶體所具有的特性，很可能讓它們也在新奇的領域發揮作用，例如它能利用原子的固有特性來存儲和處理數據，從而可以成為用於量子計算的時間超材料。

時間晶體的故事始於一位理論物理學家的一個美麗的奇思妙想，僅用了短短几年的時間，它就以結論性的實驗證據結束了它的第一篇章。隨著科學家越來越多地驗證他們的理論，物理學將表現出比以往任何時候都更加活躍的生命力。

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

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