转贴：可见的“时间晶体”！你的物理考几分？

这项研究是关于一种新的物质形态，即“时空晶体”，由科罗拉多大学博尔德分校的物理学家韩青钊和伊万·斯马柳赫在《自然·材料》杂志上发表。

以下是这项研究的几个关键点：

 * 首次“可见”的时空晶体：研究人员利用液晶材料在普通光线照射下，创造出一种可以被人类肉眼观察到的时空晶体。之前的时空晶体都是在极低温度下，利用原子或超导量子比特制造，无法直接看到。

 * 工作原理：这种时空晶体是在一种向列相液晶中形成的，当受到恒定强度的非结构化光线照射时，会自发地形成周期性重复的动态图案。

 * 潜在应用：由于这种晶体具有独特的时空指纹，因此可能在光学设备、光子时空晶体发生器、电信和防伪设计等方面具有应用价值，例如可以作为“时间水印”或动态条形码。

时间晶体（Time Crystal）是一种全新的物质形态，它的独特之处在于其原子不仅在空间中形成重复的晶格结构，而且还在时间中以周期性的方式“摆动”，即使在最低能量状态下也是如此。

可以这样理解：

1. 什么是普通晶体？

我们熟悉的普通晶体，比如钻石，其原子或分子在空间中以固定的、重复的模式排列。这种重复的结构打破了空间的均匀性（“空间对称性”），使得晶体的原子固定在特定位置上。

2. 什么是时间晶体？

时间晶体则更进一步，它打破了时间的均匀性（“时间对称性”）。它的原子在空间中形成晶格的同时，还会在时间上表现出周期性的运动，就像一个永不停歇、有节奏的“脉动”或“摆动”。

核心区别：

 * 普通晶体：原子在空间中排列，是静止的。

 * 时间晶体：原子在空间和时间中都以重复的模式排列，是动态的。

重要的是，这种周期性的运动是时间晶体固有的最低能量状态。它不像普通时钟那样需要外部能量来维持摆动，而是自发地、永久地保持这种独特的“心跳”。这听起来很像永动机，但它并不违反物理定律，因为它不产生可用的能量，仅仅是自身处于一个动态的、周期性的基态。

这个概念最初由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）在2012年提出，并于2017年首次被实验证实。

在物理学中，“时间的均匀性”（uniformity of time）或“时间平移对称性”（time-translation symmetry）是一个非常基本的概念。简单来说，它指的是物理定律在任何时候都是一样的。

你可以这样理解：

1. 物理定律不随时间变化

无论你是在今天做某个物理实验，还是在一年后、一亿年后重复这个实验，只要条件完全相同，实验结果也一定是相同的。

例如，一个苹果从树上掉落到地面的速度，遵循牛顿的万有引力定律。这个定律在牛顿时代是正确的，在今天也是正确的，将来也依然正确。它不会因为时间流逝而改变。

2. 物理系统没有内在的“时钟”

如果一个系统是孤立的（不受外界干扰），并且遵守时间的均匀性，那么它在最低能量状态时将是完全静止的。它的状态不会自发地发生任何变化，更不会有周期性的运动。这就像一个在光滑桌面上静止的球，如果没有外力推动，它会永远保持静止。

打破“时间的均匀性”

时间晶体之所以如此特殊，就是因为它打破了时间的均匀性。即使在最低能量状态下，时间晶体也不会保持静止，而是会自发地进行周期性的“摆动”。这就像那个静止的球，在没有任何外力的情况下，它自己开始有规律地来回滚动。

简而言之，时间的均匀性是说，自然界的规则对每个时刻都是一视同仁的。而时间晶体则

挑战了这一基本原则，表明在某些极端条件下，自然界也可能拥有一个内在的、永不停歇的“脉动”。

科学家们并没有发现“时间”本身是不均匀的，而是发现了一种特殊的物质形态——“时间晶体”，它在自己的内部打破了“时间的均匀性”这一物理定律。

这整个过程是一个理论预测和实验验证的结合，可以分为以下几个关键步骤：

第一步：理论上的大胆构想

2012年，诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）提出了一个革命性的想法。他把我们熟悉的普通晶体（在空间中重复排列）作为类比，思考是否存在一种在时间中重复运动的物质。

他认为，如果一个系统在最低能量状态（基态）下依然保持周期性的运动，那就意味着它打破了“时间的均匀性”。在物理学中，最低能量状态通常意味着完全静止，因此这个构想在当时被认为是“不可能的”。

第二步：实验上的艰难探索

维尔切克的想法激发了许多物理学家去寻找这种奇特的物质。他们开始在实验室中寻找能够自发产生周期性运动的系统，而不需要任何外部能量输入来维持。

2017年，两个不同的研究团队几乎同时宣布，他们在实验中成功制造出了“时间晶体”。他们使用的是两种不同的量子系统：

 * 一个团队：使用了被困住的离子（trapped ions）。

 * 另一个团队：使用了金刚石中的缺陷。

在这些实验中，科学家们观察到，这些量子系统被周期性的激光脉冲驱动后，它们的运动频率竟然比驱动脉冲的频率慢了一半。这表明系统进入了一种自发振荡的状态，就像一个孩子被推了一次秋千，却能以更慢的节奏自己持续摆动下去，而且这种运动在理论上是永恒的。

第三步：最近的进展（可见的时空晶体）

最近，您在图片中看到的那项研究取得了进一步突破。韩青钊和伊万·斯马柳赫的团队没有使用复杂的量子系统，而是利用了我们日常生活中常见的液晶材料。

通过用普通光线照射，他们创造了一种宏观的“时空晶体”，它的周期性运动是肉眼可见的。这使得时间晶体的研究从抽象的量子世界，进入了我们更容易理解的宏观物理世界。

总结：

科学家们并不是直接发现“时间不均匀”，而是通过观察到某些物质在最低能量状态下依然保持周期性运动的行为，从而证明了这种物质打破了“时间的均匀性”，并将其命名为“时间晶体”。这个发现证明了

这一理论构想是可行的，并开辟了全新的物理学研究领域。

这是一个非常好的问题，因为从表面上看，时间晶体那种永不停歇的“脉动”确实很像永动机。但两者在物理学上有本质的区别，主要在于能量和功的概念。

什么是永动机？

永动机是一种假想的机器，它能在不消耗任何能量的情况下对外做功。

 * 第一类永动机：在不输入能量的情况下，能持续输出能量。这违反了热力学第一定律（能量守恒定律）。

 * 第二类永动机：从单一热源中不断吸热并将其完全转化为功，这违反了热力学第二定律。

永动机的核心在于“做功”和“产生能量”。一个永动机可以被用来驱动其他机器，例如转动一个轮子来发电，或者提起重物。

为什么时间晶体不是永动机？

时间晶体的脉动虽然是永恒的，但它不产生任何能量，也不能对外做功。

 * 能量守恒：时间晶体的“脉动”是其系统在最低能量状态（基态）下的一种固有属性，而不是一个能量来源。它就像一个处于最稳定状态的、有节奏的振动，你无法从中提取能量来驱动任何东西。

 * 无法做功：你不能在时间晶体上安装一个装置，让它的脉动去转动发电机，从而点亮一个灯泡。它的运动是整个系统内部的集体行为，没有可以被利用的能量输出。

打个比方，一个普通晶体（比如钻石）是静止的，你不能从它的静止中提取能量。时间晶体只不过是其基态是动态的，这个动态本身就是它“最稳定”的存在方式。这种动态是一种物理秩序，而不是一种可利用的能量来源。

简而言之：永动机违反了能量守恒定律，试图无中生有地创造能量或做功；而时间晶体严格遵守能量守恒，它的脉动仅仅是它在最低能量状态下的一种独特行为，无法被用于任何外部任务。