学术|时间晶体，直到世界尽头的浪漫( 二 )
新的永动机？1918 年，德国女数学家艾米·诺特（Emmy Noether）提出了物理学上意义重大的诺特定理，即每一个对称性都有一个相关的守恒定律，反之亦然 。空间平移对称性对应动量守恒，空间旋转对称性对应角动量守恒，时间平移对称性对应能量守恒 。时间晶体打破了时间平移对称性，但它并没有违反能量守恒定律，因为时间晶体即没有能量输入，也没有能量输出 。
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【学术|时间晶体，直到世界尽头的浪漫】（来源：Pixabay）
时间晶体如同钟表一样，秒针经过 60 秒之后会回到原来的位置，并一直循环往复 。但钟表指针的旋转需要机械能或者电能等外部能量输入，时间晶体无需外部能量输入，因为时间晶体处于最小的能量基态 。这看起来似乎是矛盾的，时间晶体可以实现时间平移对称性破缺，这意味着它随着时间不停转变自身状态，也就是处于不断运动的状态 。而物体不断运动，说明它有额外的能量耗散，直到能量消耗殆尽不再运动为止 。
对于一般系统，运动时的能量要比静止时高；但对于一些特殊系统，运动时的能量反而比静止时要低，这种系统经过能量耗散，最终会达到不断运动的基态，这被称为时间上的自发对称性破缺（spontaneous symmetry breaking） 。
关于自发对称性破缺有一个经典的例子：假设有一顶墨西哥帽，一个小球静止在帽顶，小球从帽顶往帽沿滑落时，它往任何方向落的概率都是相等的，此时系统具有旋转对称性 。一旦小球落下，它只会往一个方向落，这就破坏了系统原有的对称性 。这种对称性的破坏不是由物理规律决定的，而是由小球自身的不稳定性引起的，这就是自发对称性破缺 。
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图 | 墨西哥帽（来源：Pixabay）
时间晶体的这些性质听起来有点像永动机，但时间晶体的运动是没有外部能量输入的，同时它的运动能量也不能对外输出加以利用，所以时间晶体并非永动机 。由于时间晶体处于基态时会持续运动，它可以被用来传递信息 。当物质处于绝对零度时，周围的物质都处于静止的基态，而时间晶体却以能量更低的基态持续运动 。关于这点科学家有个很奇妙的设想，当宇宙不断熵增，最终达到热寂状态时，时间晶体因为处于能量更低的基态，可以依旧维持运动 。
时间晶体的实现时间晶体理论模型的提出是一回事，实现又是另一回事 。时间晶体的概念遭受了很多科学家的质疑，认为它是不可能存在的 。2016 年，加州大学伯克利分校的诺曼·姚（Norman Yao）设计出了制造时间晶体的详细蓝图 。姚将他的蓝图比喻为连接理论模型与实验方法的桥梁 。
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图 | 诺曼·姚关于时间晶体制造方法的论文（来源：journals.aps.org）
根据姚的蓝图，来自马里兰大学和哈佛大学的两个团队分别独立制造出了时间晶体 。两个团队采用了不同的方法，却得到了类似的结果，这证实了时间晶体确实是一种全新的物态 。
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