时间晶体：它们是什么以及为什么您应该关心

热力学？我不认识她。

您会惊讶地发现，找到由时间位置定义的系统的静态图像是多么困难。

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我们知道：“时间晶体”听起来就像电影里的东西。而且也不是一部好电影——可能是出自《unobtainium》的同一位编剧之手。然而，它们不仅是真实的，而且实际上比好莱坞能想到的任何东西都要酷得多。他们违反了物理定律。它们出现在孩子们的礼物中。多年来，它们被认为是不可能的，然后我们在几年内发现了六打。

由于它们可能掌握着未来技术的关键，因此我们最好掌握它们。所以这就是：它们是什么，为什么它们很棒——以及如何，也许，你能够得到你自己的一个。

“时间晶体”到底是什么？

尽管有这个名字，时间晶体实际上并不是晶体。至少，不是你想的那种。

谷歌研究科学家 Kostyantyn Kechedzhi 在 2021 年向 IEEE Spectrum 表示：“晶体是由许多原子组成的系统，由于相互相互作用，它们在空间中组织成周期性模式。”

与此同时，时间晶体“是一个由许多粒子组成的量子系统，它们将自己组织成一种周期性的运动模式——在时间上而不是在空间上是周期性的——并且永久存在，”Kechedzhi解释道。

明白了吗？虽然普通晶体是由其在空间中的超有序原子系统定义的——这样你就可以左右移动、前后移动等等，整个事物看起来完全一样——时间晶体也有这样的功能，但通过时间（见图）。你可以把它想象成我们地球-月球系统的一个更复杂的版本，有点像：两个绕重心运行的物体，并以固定周期返回到相对于彼此相同的位置。 

当然，这是一个过于简单的说明。时间晶体实际上并不只由两个物体组成：“时间晶体的关键新颖之处在于由许多彼此相互作用的物体组成的系统的周期性运动，”Kechedzi 说。事实上，行星运动对于时间晶体来说是一个糟糕的候选者：“行星的真实行为是混乱的，”凯切兹迪解释说，“这意味着行星与今天的路径的微小偏差将导致随着时间的推移完全重塑轨迹，尽管数十亿年。 ”

但如果您正在寻找标题，那就是：什么是时间晶体？这可能是人类第一个发明的物质相。 

拉夫堡大学物理研究员 Achilleas Lazarides 在 2022 年告诉 NBC 新闻，它们是“自然界中实际上并不存在的东西。”“据我们所知，我们创造了这个物质相。”

我为什么要关心（或者：热力学谁？）

毫无疑问：在量子物理学领域，时间晶体是一件非常重要的事情。

兰卡斯特大学物理系研究员萨穆利·奥蒂 (Samuli Autti) 在 2022 年告诉《生活科学》杂志：“在没有外部激励的情况下，时间晶体会不断移动并定期重复自己的时间。”

“这意味着它们是永动机，因此是不可能的。 ”

那么，它们究竟是如何存在的呢？关键在于“量子”这个词——猫可以同时生和死的空间，光可以同时是粒子和波。在这两个看似矛盾的例子中，明显的冲突是由于所谓的“观察者效应”造成的：在量子力学中，粒子以叠加态存在——即同时存在所有可能的状态——直到有人观察它们，并通过这样做会导致叠加崩溃。

正是这种怪异让时间晶体即使没有打破，也肯定会弯曲热力学定律。 “在量子物理学中，只要我们闭上眼睛，永动机就很好，”奥蒂说。 “只有当我们观察到它的运动时，它才会开始减速。 ”

只要我们只是侧视它们，时间晶体可能是解决现代物理学中一些最顽固的脱节问题的关键。 “从量子物理学到经典物理学的连续统一体仍然知之甚少，”奥蒂说。 “时间晶体跨越了两个世界之间的部分界面。也许我们可以通过详细研究时间晶体来了解如何去除界面。 ”

一些专家声称晶体有能力阐明时间本身的本质。加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校 Microsoft Station Q 的研究工程师 Chetan Nayak 在 2021 年告诉《Quanta》杂志：“无论你多么努力地将[时间]视为另一个维度，它在经典物理学中始终是一种异常值”但当时间晶体出现时，“突然之间，时间就成为了其中的一员。”

哇，听起来很酷！不过不是很有用……

是的，好吧 - 我们承认：至少目前，时间晶体在研究物理学家群体之外几乎没有用处。但这并不意味着它们永远都是这样——根据研究它们的人的说法，时间晶体充满了潜力。

“时间晶体就像铁磁性或超导性一样，是自发对称破缺或自发秩序的一个例子，”科切兹指出。 

他解释说，这使得时间晶体与超导体或铁磁性等乌托邦技术处于同一水平——只不过，即使在这些物理学界的名人中，时间晶体也有一些独特的作用。 

“自发对称破缺与平衡有关，”他告诉 IEEE。例如，当环境温度降到足够低时，液态水就会变成冰。组成它的氢原子和氧原子会进入能量最低的状态，最终它们的性质变得稳定。 

另一方面，时间晶体则遵循不同的规则：它们打破了时间平移对称性。它们是宇宙中唯一已知能做到这一点的东西。

“我们观察到的时间晶体的一个显着特性是它的自发秩序，尽管它被驱使失去平衡，”科切兹说。 

“自发对称性破缺的稳定例子[……]通常具有重大的技术价值。 ”

这个价值到底是多少——嗯，这还有待观察。然而，大门是敞开的：“时间晶体可以用作量子设备的构建块，这些设备也在实验室外工作，”奥蒂告诉《生活科学》。 

“也许时间晶体最终将为你的智能手机中的一些量子功能提供动力，”他告诉 NBC。

太棒了！我在哪里可以获得一个？

如果你想得到时间晶体，你最好有一个物理实验室可供你使用——坦率地说，它们是一些挑剔的小家伙。

大多数成功的突破都涉及超级计算机的使用，例如谷歌的 Sycamore 量子计算硬件，斯坦福大学研究人员与 Kechedzi 及其同事在 2021 年使用该硬件实现了时间晶体，或者将气体冷却至微观温度的能力，正如 Autti 所说他和他的同事去年就这么做了。

事实上，时间晶体的制造非常困难，人们一直认为时间晶体的存在是不可能的，直到马里兰大学的物理学家在 2017 年半偶然地发现了时间晶体。即使现在，头条新闻中出现了一些成功故事，我们也没有任何长期的东西：“在足够长的时间之后，秩序就会丢失，周期性模式不再重演，”科切兹承认。

不过，如果你真的想找到一个，除了所有那些 hifalutin 实验室技术之外，还有一种替代方案——实际上，这有点令人愉快。早在 2018 年，就在第一次晶体诞生一年后，耶鲁大学的研究人员在一个相当不寻常的地方发现了晶体的藏身迹象。不在量子处理器中；不是在过冷的氢气管中，而是在儿童玩具中。

耶鲁大学物理学教授 Sean Barrett 当时表示：“我的学生贾里德·罗夫尼 (Jared Rovny) 为一项完全不同的实验培养了磷酸一铵 (MAP) 晶体，所以我们的实验室里碰巧有一个。”

抛开化学术语，你看到的是一个自己种植的水晶套件——你可以在下雨的下午送给孩子作为一个简洁的科学实验。

“我们的晶体测量结果看起来非常引人注目，”他说。 “我们的工作表明，原则上可以通过查看儿童晶体生长套件来找到 DTC 的特征。 ”

所以，全世界的叔叔阿姨们，请注意：下次当你给你的小孩子一种有点书呆子气的消遣时，你可能只是为发现一种全新的物质状态奠定了基础。

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