北京时间2月24日消息，据国外媒体报道，美国麻省理工学院著名理论物理学家、诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克近日发表最新研究成果称，可做周期性运动的“时间晶体”可能确实存在。相对于普通的三维空间晶体而言，所谓的“时间晶体”是指一种在第四维空间(即时间)也存在周期性重复运行的结构。研究人员认为，这种神奇的结构类似于永动机，处于一种永动状态，但并不违背能量守恒定律。
从钻石到雪花等，晶体在自然界非常普遍。这些物质原子整齐地排列，在三维空间上呈周期性重复的图案，让它们形成了非常美丽的外观。这些三维空间的晶体在科技领域也是重要的研究和应用材料。诺贝尔物理学奖得主弗朗克-韦尔切克在这项重要研究中认为，自然界可能也存在第四维空间的晶体，即“时间晶体”，也就是在第四维呈周期性重复运动的结构。
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。
这样的怪异物体令人感到不可思议，难以理解，大多数人此前更是从未想像过。但是，韦尔切克认为，它们可能已经存在于自然界中，或很快将通过工程手段人工合成，而且可能存在多种类型的时间晶体。韦尔切克解释说，“最简单的实现形式就是，某种系统，它的几何学特征让它能够做环形运动，一定时间后又回到原来的位置。某种更复杂的结构，可能就是一组原子，它们在三维空间中做无规律自由运动，但是它们都会周期性地回到自己的始发点。”
关于时间晶体的特点，韦尔切克认为，它的运动应该不消耗任何能量，相反，它应该处于一种稳定的最小能量状态，就像钻石和其他传统的晶体一样。即使这样，它仍然是处于一种永动状态。不过，韦尔切克也表示，时间晶体与永动机并不一样，时间晶体并不违背能量守恒定律。“通常情况下，所谓的永动机肯定不会长久，因为它们并不是处于一种基态，它们的能量会随着运动而消耗，最终能量会消耗殆尽。在时间晶体中，能量是守恒的，因为没有任何能量被移走。神奇的是，在这些物体中，能量有自己最小化配置，但是物体中原子的运动速率并非为零。”
韦尔切克在论文中辩解称，时间晶体遵循一种被物理学家称为“时间对称破缺”的理论。这种理论就是：无论在空间上你在哪里，还是时间上你在哪里，物理学原理都同样适用。你可以实施一项物理学实验，可以进行某些测试，然后带上这些实验设备转移到任何方向一个任意短距离内的地方，或者在短时间内等待任何时长后再次进行某些实验，在所有这些实验中你应该得到同样的结果。在这种情况下，时间和空间被称为完美对称。韦尔切克的重要观点是，能够打破时间对称性的晶体也是可以存在的。在最近发表的两篇论文中，韦尔切克通过数学方法对其进行了验证。
普通的晶体通常都是非完美的。因此，韦尔切克认为，有可能发现或制造出一个非完美的时间晶体，即这个物体可以以一种近圆形方式运动，但是会有轻微的波折，因此在相当长的时间内它会缓慢地辐射出少许能量。不过，韦尔切克也表示，真正的时间晶体可能也存在于自然界中，最有可能先在实验室中实现。
由于这种晶体的形成条件过去苛刻，而且很少有人能够理解，因此现在谈论它们的用途还为时尚早。韦尔切克表示，“当前的研究就是去发现理论上的可能性。接下来，如果大自然是仁慈的，而且有幽默感的话，那时间晶体就会很快在某个地方出现。为了帮助那些试图通过实验方式验证的人，我们首先应该为他们提供指导，建议哪些材料最有希望实现。”
韦尔切克的两篇最新论文发表于arXiv网站上，其中一篇的联合作者是美国肯塔基大学物理学家阿尔弗莱德-沙皮尔。两位物理学家计划近期将论文发表于《物理评论快报》上。
责任编辑：徐阳
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