时间晶体：新的永动机出现了？

许为坚

时间平移对称性

一直以来，人类都希望有这样一些“永动机”：马儿一直奔跑，不用停下来吃草;不用换电池的闹钟能永远“嘀嗒”转动;汽车不用加油也能永久地行驶……但是，以上事情是不可能发生的，因为它们都明显违反了能量守恒定律。

19世纪，包括迈尔、焦耳、亥姆霍兹在内的多个科学家分别从不同角度独立发现了能量守恒定律。但当时的能量守恒定律是一个经验科学规律，它是科学家们在“能可以转化为功、功也可以转化为能”等实验现象的总结中猜想出来的，并没有理论基础。

1915年，德国女数学家埃米·诺特从时间平移对称性出发，验证了能量守恒定律的正确性，使得能量守恒定律有了坚固的理论基础。时间平移对称性，通俗的讲就是对于同一个物体，在没有其他因素干扰的情况下，你在不同的时间对它做一些物理实验，得到的物理规律都是一样的。例如，一个电阻，你今天对它进行电压和电流关系的测试，得出的物理规律和你明天对它进行的相同的测试所得的物理规律是一样的。

长期以来，人们认为时间平移对称性不能被打破，因为这是能量守恒的理论根基。但是2012年，诺贝尔物理学奖获得者、美国理论物理学家弗朗克·韦尔切克却提出了一种特殊的晶体——时间晶体，对时间平移对称性提出了挑战。

新的永动机出现了？

2016年，美国马里兰大学的物理学家克里斯托弗·梦露的团队和美国哈佛大学的物理学家米哈伊尔·卢金的团队分别成功创造出时间晶体。他们的成果在2017年被正式刊文介绍，时间平移对称性被打破，这引起了轩然大波。

这个时间晶体到底是什么晶体，它是怎么打破时间平移对称性的呢？

一般的晶体是一群原子或者分子按照一定的规则在三维空间内呈周期性的有序排列，也就是说晶体在空间的三个维度内是对称的。而时间晶体除了在空间内对称以外，它在时间上也是对称的，因为组成它的原子一直在不停地做关于时间的周期性的位置移动，呈现一种周而复始的位置变化。就像闹钟的指针一样，随着时间循环往复。

因为内部原子的位置发生了变化，其结构也会有所改变，所以时间晶体在没有外界干扰的情况下，在不同的时间对其进行物理实验所得到的物理规律会发生变化，这也就意味着时间晶体不遵循时间平移对称性。

时间平移对称性被打破，能量是不是也可以不守恒了？事情好像确实是这样——时间晶体不需要接受外界能量，内部的周期性位置变化将一直永远持续下去。有科学家表示，时间晶体的这种位置震荡将永不停止，即使宇宙灭亡，这种情况也不会改变。这就令人感觉非常奇怪，时间晶体是一种新型永动机吗？

出乎我们意料的是，时间晶体之所以不会停止运动，是因为它无法释放出能量，时间晶体其实是遵守能量守恒定律的！这是怎么回事呢？其实，物体之所以会停止运动，是因为它们在运动过程中一直在释放能量，导致它们的能量一直减少，最后没有足夠的能量维持运动。而时间晶体已经处于一种能量最低的状态，虽然里面的粒子在运动，但是却无法往外释放能量，导致其内部仍然处于一种能量守恒的状态。而且，时间晶体没有向外做功，它就不属于永动机了。