就像黑膠唱片一樣，時(shí)間水晶的奇怪概念正在重新流行起來(lái)。2012年，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的物理學(xué)家提出，即使不添加能量，量子粒子系統(tǒng)的性質(zhì)也會(huì)隨著時(shí)間的推移而循環(huán)，就像原子的晶體在空間中重復(fù)一樣，即使沒(méi)有添加能量也是如此。但是其他人很快證明了一個(gè)“不行定理”，它說(shuō)這樣的事情是不可能的，并用研究人員很快在實(shí)驗(yàn)室中證明的時(shí)間晶體的不太幻想的定義代替了它。但是現(xiàn)在，兩位物理學(xué)家已經(jīng)證明，至少在理論上，時(shí)間晶體的原始概念畢竟是可能的。

“我認(rèn)為這是正確的，”劍橋麻省理工學(xué)院的理論物理學(xué)家弗蘭克·威爾澤克說(shuō)，他夢(mèng)time以求的是時(shí)間晶體，但并未參與這項(xiàng)新工作。其他物理學(xué)家說(shuō)，新方案是“繞過(guò)'不行'的一種方法。”但是，通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)可能非常困難。

在物理學(xué)中，模式似乎無(wú)處不在。例如，在結(jié)晶固體中，原子之間的作用力未明確指定原子的位置或原子之間的距離。但是，將原子冷卻到其基態(tài)后，它們會(huì)嵌套成重復(fù)的圖案，如棋盤(pán)上的正方形。

威爾切克想知道，通過(guò)類(lèi)似的物理學(xué)，系統(tǒng)是否可能具有以某種可測(cè)量的方式而不是在空間中重復(fù)的基態(tài)。2012年，他的兩篇關(guān)于該主題的論文引發(fā)了一系列研究。然而，2015年，現(xiàn)在都在東京大學(xué)的理論物理學(xué)家渡邊春樹(shù)和Oshikawa Masaki證明，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，時(shí)間晶體是不可能的。他們表示，在所謂的熱力學(xué)平衡狀態(tài)下，一個(gè)孤立的系統(tǒng)的最低能量狀態(tài)必須是靜態(tài)的。

但是，其他研究人員進(jìn)一步擴(kuò)展了Wilczek的想法，并發(fā)現(xiàn)，反復(fù)受到能量推動(dòng)的系統(tǒng)(例如，孩子被推到秋千上)可能表現(xiàn)出新穎的行為，被稱(chēng)為離散時(shí)間晶體。這樣的周期性攪動(dòng)的系統(tǒng)通常以外部刺激的頻率的倍數(shù)振蕩。但是，研究人員預(yù)測(cè)，相反，系統(tǒng)內(nèi)部的交互可能使其響應(yīng)速度是外部頻率的一半，就像孩子奇怪地以父母推動(dòng)頻率的一半擺動(dòng)一樣。

在現(xiàn)實(shí)世界中已經(jīng)看到了這種效果。例如，2017年，馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家克里斯托弗·門(mén)羅(Christopher Monroe)和他的同事們制作了一個(gè)離散時(shí)間晶體，其中有10個(gè)旋轉(zhuǎn)的rub離子排列成鏈狀。通過(guò)磁相互作用，離子趨向于指向相反的方向，并且噪聲會(huì)隨機(jī)地將它們推擠。但是，通過(guò)用微波脈沖來(lái)激發(fā)離子，研究人員可以鎖定自旋的模式，使它們以脈沖速率的一半恰好翻轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在，位于雷克雅未克的冰島大學(xué)的理論物理學(xué)家Valerii Kozin和英國(guó)?？巳卮髮W(xué)的Oleksandr Kyriienko證明了，至少?gòu)睦碚撋现v，有可能構(gòu)建一個(gè)更接近Wilczek最初想法的系統(tǒng)。為此，他們拋棄了渡邊和Oshikawa的不行定理的一個(gè)前提，該定理基于這樣的假設(shè)，即粒子之間相互作用的強(qiáng)度隨著距離而消失，就像電磁力一樣。相反，Kozin和Kyriienko在理論上分析了旋轉(zhuǎn)粒子(如門(mén)羅離子)的情況，這種相互作用不會(huì)隨距離消失，這在理論上是可能的。

研究人員在《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)中報(bào)告說(shuō)，通過(guò)這種長(zhǎng)時(shí)間的相互作用，系統(tǒng)可以具有不需要增加能量的時(shí)間晶體基態(tài)。基里堅(jiān)科說(shuō)：“我們展示的是一個(gè)漏洞，而不是反例”。

假設(shè)的時(shí)間晶體狀態(tài)非常復(fù)雜。多虧了量子力學(xué)，每個(gè)離子可以同時(shí)向上和向下旋轉(zhuǎn)，而且時(shí)間晶體類(lèi)似于所有粒子同時(shí)向上和向下旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，只是復(fù)雜得多。時(shí)間晶體的特征是微妙的，很難測(cè)量：指向上或指向下的自旋數(shù)的某些相關(guān)性會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)，即使系統(tǒng)在其最低能量狀態(tài)下也保持穩(wěn)定。

渡邊說(shuō)，結(jié)果并不令人震驚，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程交互作用時(shí)，理論物理學(xué)的其他基巖結(jié)果就會(huì)消失。他說(shuō)：“對(duì)于遠(yuǎn)程系統(tǒng)中的這種行為，我不會(huì)感到驚訝。”“但是，有一個(gè)具體的簡(jiǎn)單示例還是很好。”

該系統(tǒng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)嗎?基里連科說(shuō)他充滿(mǎn)希望。“應(yīng)該有可能，但這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的衡量。”門(mén)羅不那么樂(lè)觀。Monroe說(shuō)，Kozin和Kyriienko在其模型中的遠(yuǎn)距離相互作用遠(yuǎn)比陷阱中離子之間的相互作用要復(fù)雜得多。“在實(shí)踐中，我認(rèn)為我們沒(méi)有任何物理系統(tǒng)允許這種相互作用，”夢(mèng)露說(shuō)。“但是我們可能會(huì)感到驚訝。那是科學(xué)的偉大之處。”