時間晶體：新的永動機出現了？

許為堅

時間平移對稱性

一直以來，人類都希望有這樣一些“永動機”：馬兒一直奔跑，不用停下來吃草;不用換電池的鬧鐘能永遠“嘀嗒”轉動;汽車不用加油也能永久地行駛……但是，以上事情是不可能發生的，因為它們都明顯違反了能量守恒定律。

19世紀，包括邁爾、焦耳、亥姆霍茲在內的多個科學家分別從不同角度獨立發現了能量守恒定律。但當時的能量守恒定律是一個經驗科學規律，它是科學家們在“能可以轉化為功、功也可以轉化為能”等實驗現象的總結中猜想出來的，并沒有理論基礎。

1915年，德國女數學家埃米·諾特從時間平移對稱性出發，驗證了能量守恒定律的正確性，使得能量守恒定律有了堅固的理論基礎。時間平移對稱性，通俗的講就是對于同一個物體，在沒有其他因素干擾的情況下，你在不同的時間對它做一些物理實驗，得到的物理規律都是一樣的。例如，一個電阻，你今天對它進行電壓和電流關系的測試，得出的物理規律和你明天對它進行的相同的測試所得的物理規律是一樣的。

長期以來，人們認為時間平移對稱性不能被打破，因為這是能量守恒的理論根基。但是2012年，諾貝爾物理學獎獲得者、美國理論物理學家弗朗克·韋爾切克卻提出了一種特殊的晶體——時間晶體，對時間平移對稱性提出了挑戰。

新的永動機出現了？

2016年，美國馬里蘭大學的物理學家克里斯托弗·夢露的團隊和美國哈佛大學的物理學家米哈伊爾·盧金的團隊分別成功創造出時間晶體。他們的成果在2017年被正式刊文介紹，時間平移對稱性被打破，這引起了軒然大波。

這個時間晶體到底是什么晶體，它是怎么打破時間平移對稱性的呢？

一般的晶體是一群原子或者分子按照一定的規則在三維空間內呈周期性的有序排列，也就是說晶體在空間的三個維度內是對稱的。而時間晶體除了在空間內對稱以外，它在時間上也是對稱的，因為組成它的原子一直在不停地做關于時間的周期性的位置移動，呈現一種周而復始的位置變化。就像鬧鐘的指針一樣，隨著時間循環往復。

因為內部原子的位置發生了變化，其結構也會有所改變，所以時間晶體在沒有外界干擾的情況下，在不同的時間對其進行物理實驗所得到的物理規律會發生變化，這也就意味著時間晶體不遵循時間平移對稱性。

時間平移對稱性被打破，能量是不是也可以不守恒了？事情好像確實是這樣——時間晶體不需要接受外界能量，內部的周期性位置變化將一直永遠持續下去。有科學家表示，時間晶體的這種位置震蕩將永不停止，即使宇宙滅亡，這種情況也不會改變。這就令人感覺非常奇怪，時間晶體是一種新型永動機嗎？

出乎我們意料的是，時間晶體之所以不會停止運動，是因為它無法釋放出能量，時間晶體其實是遵守能量守恒定律的！這是怎么回事呢？其實，物體之所以會停止運動，是因為它們在運動過程中一直在釋放能量，導致它們的能量一直減少，最后沒有足夠的能量維持運動。而時間晶體已經處于一種能量最低的狀態，雖然里面的粒子在運動，但是卻無法往外釋放能量，導致其內部仍然處于一種能量守恒的狀態。而且，時間晶體沒有向外做功，它就不屬于永動機了。