美國麻省理工學院著名理論物理學家、諾貝爾物理學獎得主弗朗克-韋爾切克近日發表最新研究成果稱，可做周期性運動的“時間晶體”可能確實存在 。相對于普通的三維空間晶體而言 ， 所謂的“時間晶體”是指一種在第四維空間(即時間)也存在周期性重復運行的結構 。研究人員認為，這種神奇的結構類似于永動機，處于一種永動狀態，但并不違背能量守恒定律 。
從鉆石到雪花等，晶體在自然界非常普遍 。這些物質原子整齊地排列，在三維空間上呈周期性重復的圖案，讓它們形成了非常美麗的外觀 。這些三維空間的晶體在科技領域也是重要的研究和應用材料 。諾貝爾物理學獎得主弗朗克-韋爾切克在這項重要研究中認為 ， 自然界可能也存在第四維空間的晶體，即“時間晶體” ， 也就是在第四維呈周期性重復運動的結構 。
根據物理學家的觀點，一個時間晶體應該是一種自然的物體，它的要素成份以一種重復性模式在運動 。像萬花筒一樣，其中的碎片一直在循環往復地旋轉形成各種美麗的圖案；或者像時鐘一樣，其時針每12小時完成360度旋轉 。不過，與時鐘或其他有不斷運動部件的普通物體不同的是，時間晶體是在自己的永動機制的支持下實現永遠運動，而這種永動機制必須要符合物理學定律 。
這樣的怪異物體令人感到不可思議，難以理解，大多數人此前更是從未想像過 。但是 ， 韋爾切克認為，它們可能已經存在于自然界中，或很快將通過工程手段人工合成，而且可能存在多種類型的時間晶體 。韋爾切克解釋說，“最簡單的實現形式就是 ， 某種系統，它的幾何學特征讓它能夠做環形運動，一定時間后又回到原來的位置 。某種更復雜的結構，可能就是一組原子，它們在三維空間中做無規律自由運動，但是它們都會周期性地回到自己的始發點 。”
關于時間晶體的特點，韋爾切克認為，它的運動應該不消耗任何能量，相反，它應該處于一種穩定的最小能量狀態，就像鉆石和其他傳統的晶體一樣 。即使這樣，它仍然是處于一種永動狀態 。不過，韋爾切克也表示，時間晶體與永動機并不一樣，時間晶體并不違背能量守恒定律 。“通常情況下 ， 所謂的永動機肯定不會長久，因為它們并不是處于一種基態，它們的能量會隨著運動而消耗，最終能量會消耗殆盡 。在時間晶體中，能量是守恒的，因為沒有任何能量被移走 。神奇的是 ， 在這些物體中，能量有自己最小化配置，但是物體中原子的運動速率并非為零 。”
韋爾切克在論文中辯解稱，時間晶體遵循一種被物理學家稱為“時間對稱破缺”的理論 。這種理論就是：無論在空間上你在哪里，還是時間上你在哪里，物理學原理都同樣適用 。你可以實施一項物理學實驗，可以進行某些測試，然后帶上這些實驗設備轉移到任何方向一個任意短距離內的地方，或者在短時間內等待任何時長后再次進行某些實驗，在所有這些實驗中你應該得到同樣的結果 。在這種情況下 ， 時間和空間被稱為完美對稱 。韋爾切克的重要觀點是，能夠打破時間對稱性的晶體也是可以存在的 。在最近發表的兩篇論文中 ， 韋爾切克通過數學方法對其進行了驗證 。
普通的晶體通常都是非完美的 。因此，韋爾切克認為 ， 有可能發現或制造出一個非完美的時間晶體，即這個物體可以以一種近圓形方式運動 ， 但是會有輕微的波折，因此在相當長的時間內它會緩慢地輻射出少許能量 。不過，韋爾切克也表示，真正的時間晶體可能也存在于自然界中，最有可能先在實驗室中實現 。
由于這種晶體的形成條件過去苛刻，而且很少有人能夠理解，因此現在談論它們的用途還為時尚早 。韋爾切克表示，“當前的研究就是去發現理論上的可能性 。接下來，如果大自然是仁慈的，而且有幽默感的話，那時間晶體就會很快在某個地方出現 。為了幫助那些試圖通過實驗方式驗證的人，我們首先應該為他們提供指導，建議哪些材料最有希望實現 。”
韋爾切克的兩篇最新論文發表于arXiv網站上，其中一篇的聯合作者是美國肯塔基大學物理學家阿爾弗萊德-沙皮爾 。兩位物理學家計劃近期將論文發表于《物理評論快報》上 。
【諾貝爾物理學獎得主最新研究成果稱可做周期性運動的“時間晶體”可能確實存在】
新浪科技(彬彬)

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