據(jù)國外媒體報道，時間晶體究竟只是一種數(shù)學上的假設、還是真的存在呢？自打諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克于2012年首次提出時間晶體這一概念以來，物理學家就一直在這個問題上爭論不休。韋爾切克稱，這些假想中的晶體可以呈現(xiàn)出周期性的運動狀態(tài)，如在低能量狀態(tài)（又稱基態(tài)）下沿著環(huán)形軌道運動等。而從理論上來說，處于基態(tài)的物體所具備的能量是根本不夠讓其運動起來的。
在他提出該理念之后的幾年中，其他物理學家紛紛給出了時間晶體不可能存在的理由，大多數(shù)物理學家似乎認為，由于時間晶體的性質(zhì)太過古怪，因此不可能存在于實際當中。雖然時間晶體無法用來產(chǎn)生有用的能量（因為它們一旦受到擾動，就會停止運行），而且并不違背熱力學第二定律，但它們的確與物理學中一項基礎的對稱性相悖。
不過，來自加州大學圣芭芭拉分校（UCSB）和微軟Station Q實驗室的研究人員在一篇最新發(fā)表的論文中提出，時間晶體有可能真正存在。
他們主要關注的是時間晶體最令人驚奇的一點——有人預測稱，時間晶體能夠?qū)崿F(xiàn)時間平移對稱性的自發(fā)性破缺。為了幫助我們理解這句話的含義，研究人員首先解釋了“自發(fā)對稱性破缺”的意思。
“顯性對稱性破缺和自發(fā)對稱性破缺之間最大的區(qū)別在于，” UCSB的一名物理學家、該研究的共同作者多米尼克·埃爾斯說道，“如果對稱性出現(xiàn)了顯性破缺，那么自然法則中就不再含有這一對稱性了；但自發(fā)對稱性破缺則意味著，自然法則仍保留著原本的對稱性，但自然卻選擇了另一種不具備對稱性的狀態(tài)。”
如果時間晶體真的能自發(fā)地打破時間平移對稱性的話，那么管控時間晶體的自然法則就不會隨著時間的流逝而改變，但由于時間晶體的基態(tài)運動狀態(tài)，時間晶體本身是會隨著時間而發(fā)生變化的，也就自發(fā)地打破了這種對稱性。
雖然人們此前從未觀察到過時間上的平移對稱性的自發(fā)破缺，但除此之外，其他各類自發(fā)對稱性破缺都曾被觀察到過。磁鐵就是一個常見的例子。自然法則無法強制決定磁鐵的哪一頭是北極、哪一頭是南極。但任何磁鐵材料都自發(fā)地打破了這種對稱性，選定其中一頭作為北極。另一個例子則是普通的晶體。雖然無論是在旋轉(zhuǎn)還是平移的空間中，自然法則都不會發(fā)生改變，但晶體會自發(fā)地打破這些空間對稱性，因為如果改變了觀察角度、或者在空間中的位置發(fā)生了些許變化，晶體看上去都會有所不同。
在這項最新研究中，物理學家專門規(guī)定了時間平移對稱性發(fā)生自發(fā)性破缺的條件，然后通過模擬，預測出這一對稱性破缺將會發(fā)生在一類名為“弗洛凱多體局部驅(qū)動系統(tǒng)”的量子系統(tǒng)中�？茖W家解釋，這些系統(tǒng)的關鍵特征是，它們永遠都不會達到熱平衡狀態(tài)，因此溫度永遠都不會升高。
對時間平移對稱性破缺的最新定義與其他對稱性破缺十分相似�；旧蟻碚f，隨著一個系統(tǒng)（比如晶體）的體積增大，從對稱性破缺狀態(tài)回歸對稱狀態(tài)的時間也會相應延長。而無窮大系統(tǒng)則永遠也無法到達對稱狀態(tài)，因此，整個系統(tǒng)的對稱性都處于破缺狀態(tài)。
“我們的工作有兩大意義。從一方面來看，它說明了時間的平移對稱性也是可以出現(xiàn)自發(fā)性破缺的。”微軟Station Q實驗室的一名研究人員、共同作者貝拉·鮑爾表示，“從另一方面來看，它讓我們進一步了解到，非均衡系統(tǒng)中可以出現(xiàn)很多有趣的物質(zhì)狀態(tài)，而這些狀態(tài)在均衡系統(tǒng)中是不存在的。”
據(jù)物理學家表示，我們應該可以通過實驗觀察到時間平移對稱性破缺。這需要利用一套由受限原子、受限離子、或超導量子比特構成的大型系統(tǒng)，打造出一塊時間晶體，然后觀察隨著時間的流逝、這些系統(tǒng)會發(fā)生怎樣的變化�？茖W家預測稱，這些系統(tǒng)將會呈現(xiàn)出周期性的振蕩運動狀態(tài)，這正是時間晶體的標志性特征之一，并且印證了時間平移對稱性破缺的存在。
“我們正在和實驗研究組共同努力，一起探索在低溫原子氣體系統(tǒng)中實現(xiàn)弗洛凱時間晶體的可能性。”此次研究的共同作者舍坦·納亞克說道。
責編：微科普