时间晶体到底是什么？为什么物理学家对它们如此痴迷？

您可能非常熟悉地球日常生活中物质的基本状态——固体、液体、气体。

但是，这三种外观和行为各异的物质并不是宇宙的全部——远非如此。科学家已经发现（或创造了）数十种更奇特的物质状态，它们通常有着神秘而奇特的名字：超流体、玻色-爱因斯坦凝聚态和中子简并态物质，仅举几例。

过去几年，世界各地的物理学家一直在构建另一种物质状态：“时间晶体”。如果这听起来像是二流电影里的技术术语，那么它已经不再是技术术语了。一些研究人员利用量子计算机制造出了一种时间晶体，他们认为这为时间晶体在物理学领域的应用奠定了坚实的基础。

研究人员尚未正式发表他们的研究成果，但上个月，他们在 ArXiV 网站上发布了一份预印本（尚未经过同行编辑的科学论文）。

那么时间晶体到底是什么呢？它听起来像是让时光机运转的关键部件、某种未来主义的电源，或者也许是失落的外星文明的遗物。但对科学家来说，时间晶体其实是更微妙的东西：对物理定律的好奇。

任何普通晶体（例如钻石、绿宝石，甚至是冰块）的定义是，晶体的原子以某种方式在空间中以重复的模式排列。空间有三个维度，还有第四个维度，即时间。因此，物理学家想知道晶体的原子是否可以在时间中以重复的模式排列。

实际上，它的工作原理是这样的。你制造出一种晶体，其原子一开始处于一种状态。如果你用精细调谐的激光轰击该晶体，这些原子可能会翻转到另一种状态——然后翻转回来——然后再次翻转——依此类推，而所有这些都不会真正吸收激光的任何能量。

如果你退一步想，你刚刚创造的是一种物质状态，它永远处于运动状态，无限期，不吸收任何能量。

这绝非易事。它违背了古典物理学最神圣的原则之一：热力学第二定律。该定律指出，熵或无序性的数量总是趋于增加。想象一下，它就像一个摇摇晃晃地放在桌子边上的花瓶。宇宙想把花瓶推倒，让它摔得粉碎。要把它拼凑起来，你必须投入能量。

时间晶体实际上是一个相当新的概念，最早由诺贝尔物理学奖得主弗兰克·威尔切克于 2012 年提出。当时并非所有物理学家都接受该理论，有些人声称热力学第二定律将会出现法律效应。

当然，坚定的研究人员发现了漏洞。2016 年，马里兰大学的物理学家设法用一组镱原子拼凑出了一个粗糙的时间晶体。其他研究小组已经在钻石内部制造出了时间晶体。

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但这些最新的时间晶体修补者做了一些不同的事情。他们求助于谷歌并使用了量子计算机：一种利用量子力学怪癖的设备，量子力学是一种看似神秘的物理学，可以在最小的尺度上指导宇宙。量子计算机不像日常的“传统”计算机那样使用硅片，而是直接对原子或粒子进行操作。这使得物理学家能够进行传统计算机难以完成的实验，因为量子物理学——允许粒子同时成为多个东西，并允许粒子在看似不可能的距离上相互作用——变得非常深奥。

费米实验室的量子计算机研究员加布里埃尔·珀杜 (Gabriel Perdue) 表示：“使用传统计算机模拟规则的能力……变得更加困难”。费米实验室是位于芝加哥郊区的国家实验室，专注于高端粒子物理。

但是，通过在量子计算机的处理器中排列粒子，可以真正研究微小粒子系统，就像它们是积木一样。这是一种强大的能力，在非量子世界中你很少看到这种能力。

“我们不会通过制作微型棒球运动员并进行模拟来计算棒球能飞多远，”珀杜说。但他表示，研究人员使用谷歌的量子计算机制作时间晶体时，在非常小的范围内做了一些非常相似的事情。

在这种情况下，物理学家可以取出原子，重新排列它们，然后用激光脉冲驱动它们来驱动时间晶体。这种装置使研究人员能够制造出比之前任何时间晶体都大的时间晶体。虽然许多以前的时间晶体寿命很短，在几个来回翻转周期内就会瓦解，但这项最新时间晶体研究的科学家们对他们所创造的晶体的稳定性感到惊叹。

“对我来说，这里最令人兴奋的事情是，”珀杜说，“这是使用量子计算机真正模拟量子物理系统并以一种真正新颖和令人兴奋的方式对其进行研究的演示。”

那么，这些时间晶体是否真的能够引发新一波时间机器的诞生呢？

可能不会。但它们可能有助于使量子计算机变得更加强大。多年来，工程师们一直在努力创造一种可以作为量子计算机内存的东西；有些相当于传统计算机的硅。物理学家认为，时间晶体可以达到这个目的。

珀杜表示，这项实验也证明了量子计算机在科学研究方面的强大能力。“这个平台可以让你轻松模拟一些很酷的算法，”他说，“它同样适用于模拟这类系统，我认为它甚至比这更好。”