時(shí)間晶體究竟只是一種數(shù)學(xué)上的假設(shè)、還是真的存在呢？自打諾貝爾得主弗朗克·韋爾切克（Frank Wilczek ）于2012年首次提出時(shí)間晶體這一概念以來，物理學(xué)家就一直在這個(gè)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)起來的。

在他提出該理念之后的幾年中，其他物理學(xué)家紛紛給出了時(shí)間晶體不可能存在的理由，大多數(shù)物理學(xué)家似乎認(rèn)為，由于時(shí)間晶體的性質(zhì)太過古怪，因此不可能存在于實(shí)際當(dāng)中。雖然時(shí)間晶體無法用來產(chǎn)生有用的能量（因?yàn)樗鼈円坏┦艿綌_動(dòng)，就會(huì)停止運(yùn)行），而且并不違背熱力學(xué)第二定律，但它們的確與物理學(xué)中一項(xiàng)基礎(chǔ)的對稱性相悖。

不過，來自加州大學(xué)圣芭芭拉分校（UCSB）和微軟Station Q實(shí)驗(yàn)室的研究人員在一篇最新發(fā)表的論文中提出，時(shí)間晶體有可能真正存在。

他們主要關(guān)注的是時(shí)間晶體最令人驚奇的一點(diǎn)——有人預(yù)測稱，時(shí)間晶體能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)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（explicit symmetry breaking）和自發(fā)對稱性破缺（spontaneous symmetry breaking）之間最大的區(qū)別在于，” UCSB的一名物理學(xué)家、該研究的共同作者多米尼克·埃爾斯（Dominic Else）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)?！?/p>

如果時(shí)間晶體真的能自發(fā)地打破時(shí)間平移對稱性的話，那么管控時(shí)間晶體的自然法則就不會(huì)隨著時(shí)間的流逝而改變，但由于時(shí)間晶體的基態(tài)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，時(shí)間晶體本身是會(huì)隨著時(shí)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(shí)間上的平移對稱性的自發(fā)破缺，但除此之外，其它各類自發(fā)對稱性破缺都曾被觀察到過。磁鐵就是一個(gè)常見的例子。自然法則無法強(qiáng)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(gè)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(huì)發(fā)生改變，但晶體會(huì)自發(fā)地打破這些空間對稱性，因?yàn)槿绻淖兞擞^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(huì)有所不同。

在這項(xiàng)最新研究中，物理學(xué)家專門規(guī)定了時(shí)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(yù)測出這一對稱性破缺將會(huì)發(fā)生在一類名為“弗洛凱多體局部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”（Floquet-many-body-localized driven systems）的量子系統(tǒng)中?？茖W(xué)家解釋，這些系統(tǒng)的關(guān)鍵特征是，它們永遠(yuǎn)都不會(huì)達(dá)到熱平衡狀態(tài)，因此溫度永遠(yuǎn)都不會(huì)升高。

對時(shí)間平移對稱性破缺的最新定義與其它對稱性破缺十分相似?；旧蟻碚f，隨著一個(gè)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(shí)間也會(huì)相應(yīng)延長。而無窮大系統(tǒng)則永遠(yuǎn)也無法到達(dá)對稱狀態(tài)，因此，整個(gè)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(shí)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(shí)驗(yàn)室的一名研究人員、共同作者貝拉·鮑爾（Bela Bauer）表示，“從另一方面來看，它讓我們進(jìn)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?！?/p>

據(jù)物理學(xué)家表示，我們應(yīng)該可以通過實(shí)驗(yàn)觀察到時(shí)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(dǎo)量子比特構(gòu)成的大型系統(tǒng)，打造出一塊時(shí)間晶體，然后觀察隨著時(shí)間的流逝、這些系統(tǒng)會(huì)發(fā)生怎樣的變化。科學(xué)家預(yù)測稱，這些系統(tǒng)將會(huì)呈現(xiàn)出周期性的振蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這正是時(shí)間晶體的標(biāo)志性特征之一，并且印證了時(shí)間平移對稱性破缺的存在。

“我們正在和實(shí)驗(yàn)研究組共同努力，一起探索在低溫原子氣體系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)弗洛凱時(shí)間晶體的可能性?！贝舜窝芯康墓餐髡呱崽埂ぜ{亞克（Chetan Nayak）說道。

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