能否通俗地解释一下时间晶体和经典对称性

2021年，诺奖得主Frank Wilczek发文表示，由于“非对称基态”的存在，可能存在基态仍能发生运动的物质，并称其为“量子时间晶体”。

随着两个独立小组的制造成功，“时间晶体”的存在基本已获确认。 那么，“时间晶体”到底是什么呢？ 其实是物理学家取了个天花乱坠的名字。 时间晶体的本质，是导体的一种新状态，它同时也是首次发现的“非平衡态物质”。 我们日常所熟知的导体，诸如金属之类，当其原子位于最低能态时，是不会发生任何运动的。因此这些物质均为“平衡态物质”，否则会违背“时间平移对称性”。

其实说白了，你可以这样理解，原来我们认识的物体或晶体是三维的，而时间晶体却是四维的，会随着时间改变，在时空中拥有一种周期性结构。

根据物理学家的观点，一个时间晶体应该是一种自然的物体，它的要素成份以一种重复性模式在运动。像万花筒一样，其中的碎片一直在循环往复地旋转形成各种美丽的图案；或者像时钟一样，其时针每12小时完成360度旋转。不过，与时钟或其他有不断运动部件的普通物体不同的是，时间晶体是在自己的永动机制的支持下实现永远运动，而这种永动机制必须要符合物理学定律。而其具体的应用我们只能拭目以待。

根据最新发表在Physical ReviewLetters上的文章，时间晶体，这种听起来科幻感满满的东西可能真的存在。

诺贝尔奖得主Frank Wilczek在2021年首次提出这个概念。一开始这只是纯粹出于数学上的好奇，将结晶的概念从三维扩张到思维。现在Wilczek新研究说明了这种晶体存在的真实可能。

针对时间晶体的主要疑点就是，它们似乎可以通过周期性移动实现永恒运动，然后可以反复回归到原始状态。这就违反了物理学中一条基本的对称性，即“时间平移对称性”。

时间平移对称是一项基础的时空对称，即物理法则在任何地方任何时间都是一样的。Wilczek和他的同事们认为这一潜在的违反是说得通的，因为「显性对称性破缺」(explicit symmetry breaking)和「自发对称性破缺」(spontaneous symmetry breaking)之间有着明显区别。

“在显性破缺中，自然法则不再含有对称性；自发性破缺中，自然法则仍含有对称性，但是自然选择了另一种不具备对称的状态，”研究合著者Dominic Else解释说。

如果时间结晶仅仅打破了自发性对称，它们则不是自然中第一个吃螃蟹的。比如，在磁铁中对称性就被打破了，因为它可以自发“选择”哪一头是北极，哪一头是南极。然而这并没有打破物理法则本身的对称性，仅仅代表物理法则没有决定具体要发生的事情。

普通的晶体也会自发性打破对称，虽然这些对称都存在于自然中，并没有延伸到时间维度里。人类还从未观察过自发性打破时间平移对称的情况，但是如果真的观察到，时间晶体应该是最有可能发生的地方。

为了证明这一可能性，研究者们进行了一系列模拟，使得时间平移对称性发生自发性破缺可以在不打破任何基础物理法则的情况下发生，比如热力学定律。

所以时间晶体是有可能在自然中存在的，至少从数学角度上说不是不可能。所以下一步的任务就是试图造出一个时间晶体，这也是Wilczek团队开始筹划的事情。他们设想了一个被俘获的原子、离子或者超导量子比特的大型系统来制造时间晶体。

如果他们能够成功，这将是一个震惊世界的突破。

蛋友评论

gejiaton:服务员，来杯咖啡，里面不加糖，加点时间，谢谢

cd:「时间晶体」是个what？

小彭同志:每个字都看的懂 系列

柳道道:刚刚去百度了一下，时间晶体的意思是“时间晶体是一种四维晶体，在时空中拥有一种周期性结构。可以将它看作是一只可以永远保持走时精确无误的钟，即便是在宇宙达到热寂之后也是如此。”这算是一种永动机了，然鹅这种永动机内部的运动不消耗任何能量。有人指出，超导体内部的电流可以理解为一种时间晶体。但一般指的时间晶体都是微观层面的结构。这玩意造出来了就相当于有了一种直接测度时间的工具。

柳道道:以前每个字都看懂系列好歹还能明白个大概，这是啥？

尘扬:给我，不对，还是先给长者来一秒

文：许叔/煎蛋网

关于煎蛋：资深新鲜事推送鸡。网站 Jandan.net，公众号：煎蛋（公众号ID：jandancom，并没有i）

对称现象在自然界和日常生活中极为常见，如蝴蝶和花冠(图2－1)，某些建筑物、工艺美术品、生活用具等都常呈对称的图形。

物体或图形的对称，有两个最基本的特点:一是有相同部分;二是这些相同部分有规律的重复。如图2－1蝴蝶左右两个相等的部分，可以通过垂直平分它的镜面的反映面彼此重合;六个相同的花瓣可以通过垂直花冠并过其中心的一根直线的旋转，使之多次重复再现。

图2-1 蝴蝶和花冠的对称

所谓对称，就是物体相同部分有规律的重复。

晶体具有对称性，这表现在晶体外形上是相等的晶面、晶棱和角顶有规律的重复出现。

晶体具有对称性的原因不同于其他物体。动植物的对称是长期演化的结果，对称有利于它们为生存而斗争。建筑物、工艺品、用具的对称是人为的，是为了使其美观和适用。而晶体的对称是由于它具有规律的格子构造。

晶体的对称有以下特点:

(1)所有晶体都是对称的，因为一切晶体都具格子构造。格子构造是晶体内部质点在三维空间周期性重复的体现，它本身就是对称的。

(2)晶体的对称受格子构造的严格控制，只有格子构造能够容许的那些对称才能在晶体上出现，这就是晶体对称的有限性。

(3)晶体的对称不仅表现在外部形态上，而且表现在性质上，因为晶体的性质同样受其格子构造的控制。

综上所述，晶体的对称之所以不同于其他物体的对称，在于晶体是具有格子构造的固体，它的对称具有表里一致性，即晶体的对称不仅表现在外部形态上(宏观的)，而且其内部构造(微观上)也是对称的。其他物体则不然，如人体的眼、耳、口、鼻及四肢等是对称分布的，但内脏器官的分布则不对称，不具表里一致性。

晶体的对称性既是晶体最重要的特征，也是对种类繁多的晶体进行分类的依据。