時間晶體：新的永動機出現(xiàn)了？

許為堅

時間平移對稱性

一直以來，人類都希望有這樣一些“永動機”：馬兒一直奔跑，不用停下來吃草;不用換電池的鬧鐘能永遠“嘀嗒”轉(zhuǎn)動;汽車不用加油也能永久地行駛……但是，以上事情是不可能發(fā)生的，因為它們都明顯違反了能量守恒定律。

19世紀，包括邁爾、焦耳、亥姆霍茲在內(nèi)的多個科學(xué)家分別從不同角度獨立發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。但當(dāng)時的能量守恒定律是一個經(jīng)驗科學(xué)規(guī)律，它是科學(xué)家們在“能可以轉(zhuǎn)化為功、功也可以轉(zhuǎn)化為能”等實驗現(xiàn)象的總結(jié)中猜想出來的，并沒有理論基礎(chǔ)。

1915年，德國女?dāng)?shù)學(xué)家埃米·諾特從時間平移對稱性出發(fā)，驗證了能量守恒定律的正確性，使得能量守恒定律有了堅固的理論基礎(chǔ)。時間平移對稱性，通俗的講就是對于同一個物體，在沒有其他因素干擾的情況下，你在不同的時間對它做一些物理實驗，得到的物理規(guī)律都是一樣的。例如，一個電阻，你今天對它進行電壓和電流關(guān)系的測試，得出的物理規(guī)律和你明天對它進行的相同的測試所得的物理規(guī)律是一樣的。

長期以來，人們認為時間平移對稱性不能被打破，因為這是能量守恒的理論根基。但是2012年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、美國理論物理學(xué)家弗朗克·韋爾切克卻提出了一種特殊的晶體——時間晶體，對時間平移對稱性提出了挑戰(zhàn)。

新的永動機出現(xiàn)了？

2016年，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家克里斯托弗·夢露的團隊和美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)家米哈伊爾·盧金的團隊分別成功創(chuàng)造出時間晶體。他們的成果在2017年被正式刊文介紹，時間平移對稱性被打破，這引起了軒然大波。

這個時間晶體到底是什么晶體，它是怎么打破時間平移對稱性的呢？

一般的晶體是一群原子或者分子按照一定的規(guī)則在三維空間內(nèi)呈周期性的有序排列，也就是說晶體在空間的三個維度內(nèi)是對稱的。而時間晶體除了在空間內(nèi)對稱以外，它在時間上也是對稱的，因為組成它的原子一直在不停地做關(guān)于時間的周期性的位置移動，呈現(xiàn)一種周而復(fù)始的位置變化。就像鬧鐘的指針一樣，隨著時間循環(huán)往復(fù)。

因為內(nèi)部原子的位置發(fā)生了變化，其結(jié)構(gòu)也會有所改變，所以時間晶體在沒有外界干擾的情況下，在不同的時間對其進行物理實驗所得到的物理規(guī)律會發(fā)生變化，這也就意味著時間晶體不遵循時間平移對稱性。

時間平移對稱性被打破，能量是不是也可以不守恒了？事情好像確實是這樣——時間晶體不需要接受外界能量，內(nèi)部的周期性位置變化將一直永遠持續(xù)下去。有科學(xué)家表示，時間晶體的這種位置震蕩將永不停止，即使宇宙滅亡，這種情況也不會改變。這就令人感覺非常奇怪，時間晶體是一種新型永動機嗎？

出乎我們意料的是，時間晶體之所以不會停止運動，是因為它無法釋放出能量，時間晶體其實是遵守能量守恒定律的！這是怎么回事呢？其實，物體之所以會停止運動，是因為它們在運動過程中一直在釋放能量，導(dǎo)致它們的能量一直減少，最后沒有足夠的能量維持運動。而時間晶體已經(jīng)處于一種能量最低的狀態(tài)，雖然里面的粒子在運動，但是卻無法往外釋放能量，導(dǎo)致其內(nèi)部仍然處于一種能量守恒的狀態(tài)。而且，時間晶體沒有向外做功，它就不屬于永動機了。