時間晶體，把愛保存到宇宙盡頭之后

對多數人而言，提到晶體就會聯想到鉆石等各種寶石，但對物理學家來說，這些由規(guī)則原子結構在空間重復排列的晶體只代表冰山一角。近期，《自然》雜志以“時間晶體”為封面，介紹7兩篇重要論文，美國哈佛大學和馬里蘭大學的兩個科研團隊首次用不同方法同時制造出了“時間晶體”，宣告這不再只是科幻劇中的虛擬想象，而是一種實實在在的真實存在，更為人類研究物質特性打開了全新的思維方式。

什么是時間晶體，難道真是把時間凝固結晶嗎？時間晶體又有什么用呢？清華大學交叉信息院量子信息中心尹璋琦博士也曾提出過“量子時空晶體”等理論方案，引發(fā)廣泛的關注與報道，就讓他來告訴你答案吧。

“生生世世，不離不棄，直到地老天荒，直到宇宙盡頭……”當我們面對美妙的愛情時，總會發(fā)出上述誓言。盡管誓言鏗鏘，可總會留下一個否定和陰暗的結尾，比如宇宙的盡頭和地老天荒什么的。在我們的潛意識中，再美好的感情、再美妙的關系，總有結束的那一天，因為沒有人能夠敵過死亡。就算是宇宙，也可能會有熱寂的那一天。如果我們的宇宙不斷膨脹，終究有一天，它將會冷卻到絕對零度附近，我們再也無法獲取維持生存所需的基本能量。因此，一旦我們發(fā)誓維系某段感情到地老天荒時，潛意識中已經把這作為最極端的誓言了。

現在，我要介紹一種新的物質，利用它制造出的時光膠囊，即使到了宇宙的盡頭，即使所有的生命都死亡了、枯寂了的時候，仍舊能夠保存我們那些最珍貴的回憶。擁有這樣的時光膠囊，即使地老天荒，我們留下的回憶仍舊鮮活。

什么是時間晶體？

要理解這種全新的物質，讓我們從最常見的晶體材料說起。在我們的生活中，有很多天然具有規(guī)則形狀的物質，比如說六角形的雪花、晶瑩剔透的水晶、璀璨奪目的鉆石。這些固體物質就是我們常說的晶體。我們知道，隨著溫度的不同，水具有氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)3種不同的形態(tài)。之所以有這么大的區(qū)別，是因為隨著溫度的降低，水分子的運動越來越慢，在冰點之下就自發(fā)地凝結起來了，形成了周期性的有序結構。水分子按照一定的空間周期等間距地排列起來，所形成的冰自然無法隨意形變也無法流動。

愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，除了三維的空間之外，還有一個維度就是時間。既然我們周圍有這么多在三維空間上結晶的晶體，是不是也存在著在時間上結晶的晶體呢？這應該是一個很自然的設問。不過在諾貝爾物理學獎獲得者維爾切克之前，還沒有人提出這個設問并給出答案。

維爾切克接受記者采訪時說，他最初是在上晶體這門課程時想到了“時間晶體”這個概念的。如果與空間晶體類比，那么時間晶體就可以定義為在時間軸上自發(fā)地周期性變化的一類物質。在時間軸上周期性變化的事物我們也見過很多，比如說我們戴的手表。但這些事物的運動都不是自發(fā)的，需要外界輸入能量才能維持其運動。機械表隔幾天要上發(fā)條，電子表過上一年半載要換電池，繞太陽旋轉的地球越轉越慢……因為對這些系統(tǒng)來說，運動的能量總是比靜止時要高。所以總會發(fā)生能量耗散，最終系統(tǒng)停止在能量最低的狀態(tài)。而維爾切克發(fā)現，對一類特殊的系統(tǒng)，旋轉時的能量比靜止時還要低，那么這種系統(tǒng)最終總會耗散到不斷旋轉的狀態(tài)。這被稱為時間上的自發(fā)對稱性破缺。

鏈接

弗蘭克·維爾切克，被譽為美國最杰出的理論物理學家之一，在粒子物理、黑洞的量子理論、凝聚態(tài)場論和量子物質等研究領域作出了巨大貢獻，曾獲2004年諾貝爾物理學獎。

如何實現時間晶體？

有關持續(xù)運動的系統(tǒng)，人們已經找到了一些實例。比如對于一個很小的超導體金屬環(huán)來說，如果我們給它加上磁場，那么環(huán)中就會出現持續(xù)不斷的電流。對于這個系統(tǒng)，電子流動時是能量最低的狀態(tài)，它將永遠地流動下去。這個例子似乎并不讓人吃驚?？扇绻饘侪h(huán)的尺度非常微小，我們將不得不用量子力學來分析它。我們發(fā)現，即使金屬環(huán)有電阻，在低溫下給金屬環(huán)通上磁場，里面也會出現從不衰減的電流。從某種程度而言，這已經很接近時間晶體了。但是時間晶體的物質密度在時間上存在周期性變化，而有持續(xù)電流的金屬環(huán)中，并沒有出現電子密度隨時間的周期性變化。

為了實現真正的時間晶體，維爾切克設計了一種不存在的帶電材料，它可以由非線性的薛定諤方程來描述，其基態(tài)解是一種孤立子。在磁場下，孤立子能量最低的狀態(tài)將不再是靜止的，而是以一定的角速度旋轉的狀態(tài)。與持續(xù)電流不同，孤立子旋轉起來時，在圓環(huán)上會出現物質密度的周期性變化，也就是說出現了真正的時間晶體。

薛定諤方程

在量子力學里，薛定諤方程是描述物理系統(tǒng)的量子態(tài)怎樣隨時間演化的偏微分方程，為量子力學的基礎方程之一，以發(fā)表者奧地利物理學家薛定諤而命名。非線性薛定諤方程是一個含有孤立子波解的非線性方程。

基態(tài)

原子、原子核等所具有的各種狀態(tài)中能量最低、也最穩(wěn)定的狀態(tài)。

馬里蘭大學的科研團隊將10個帶電鐿離子排成一條直線，再用一束激光轟擊離子創(chuàng)造一個磁場，用另一束激光反轉原子的自旋方向，一遍一遍地重復該過程，最終讓原子進入在時間上重復，且周期為外加驅動周期兩倍的模式，從而制造出離散型“時間晶體”。

哈佛大學的科研團隊以金剛石和其中100萬個隨機分布的氮一空位為實驗平臺，制備出一種離散型“時間晶體”。此系統(tǒng)的周期可以達到外加驅動周期的兩倍，乃至三倍。

時光膠囊，讓美好的回憶永存

對于時間晶體，我們還有另外一種稱呼——“永遠運動的系統(tǒng)”，但這并不意味著它能像想象中的永動機那樣無中生有地不斷提供能量。時間晶體的運動是不需要外部能量輸入的，同時它也不能向外輸出能量而不改變自身運動狀態(tài)。如果我們把空間晶體和時間晶體的概念綜合起來，那么實際上就存在一種特殊的物質，可以同時在四維時空中結晶，形成所謂的時間一空間晶體。

時空晶體最酷的一點就是它能在絕對零度附近保持運動。因此維爾切克設想未來有一天，隨著技術的高度發(fā)展，我們可以對時空晶體進行編程，設計出復雜的周期運動回路，代表不同的比特，以及比特間的運算，然后把我們的人腦意識上傳到這個時空晶體中。這種攜帶了人腦意識的時間晶體，可以稱之為時光膠囊。與通常意義上的計算機不同，它并沒有輸出，只能周而復始地重復我們預先編制好的程序。我們可以把自己一生中最美好最難忘的回憶和感受存在其中，不斷重演那些最美妙的瞬間。擁有了這樣的時光膠囊，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，我們那些美妙的情感仍舊永存。把愛保留到宇宙盡頭之后，也許會是我們研究制造時間晶體最浪漫的動機。

（責任編輯：白玉磊 責任校對：夏越）