時(shí)間晶體：新的永動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了？

許為堅(jiān)

時(shí)間平移對(duì)稱性

一直以來，人類都希望有這樣一些“永動(dòng)機(jī)”：馬兒一直奔跑，不用停下來吃草;不用換電池的鬧鐘能永遠(yuǎn)“嘀嗒”轉(zhuǎn)動(dòng);汽車不用加油也能永久地行駛……但是，以上事情是不可能發(fā)生的，因?yàn)樗鼈兌济黠@違反了能量守恒定律。

19世紀(jì)，包括邁爾、焦耳、亥姆霍茲在內(nèi)的多個(gè)科學(xué)家分別從不同角度獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了能量守恒定律。但當(dāng)時(shí)的能量守恒定律是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)科學(xué)規(guī)律，它是科學(xué)家們?cè)凇澳芸梢赞D(zhuǎn)化為功、功也可以轉(zhuǎn)化為能”等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)中猜想出來的，并沒有理論基礎(chǔ)。

1915年，德國女?dāng)?shù)學(xué)家埃米·諾特從時(shí)間平移對(duì)稱性出發(fā)，驗(yàn)證了能量守恒定律的正確性，使得能量守恒定律有了堅(jiān)固的理論基礎(chǔ)。時(shí)間平移對(duì)稱性，通俗的講就是對(duì)于同一個(gè)物體，在沒有其他因素干擾的情況下，你在不同的時(shí)間對(duì)它做一些物理實(shí)驗(yàn)，得到的物理規(guī)律都是一樣的。例如，一個(gè)電阻，你今天對(duì)它進(jìn)行電壓和電流關(guān)系的測試，得出的物理規(guī)律和你明天對(duì)它進(jìn)行的相同的測試所得的物理規(guī)律是一樣的。

長期以來，人們認(rèn)為時(shí)間平移對(duì)稱性不能被打破，因?yàn)檫@是能量守恒的理論根基。但是2012年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美國理論物理學(xué)家弗朗克·韋爾切克卻提出了一種特殊的晶體——時(shí)間晶體，對(duì)時(shí)間平移對(duì)稱性提出了挑戰(zhàn)。

新的永動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了？

2016年，美國馬里蘭大學(xué)的物理學(xué)家克里斯托弗·夢(mèng)露的團(tuán)隊(duì)和美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)家米哈伊爾·盧金的團(tuán)隊(duì)分別成功創(chuàng)造出時(shí)間晶體。他們的成果在2017年被正式刊文介紹，時(shí)間平移對(duì)稱性被打破，這引起了軒然大波。

這個(gè)時(shí)間晶體到底是什么晶體，它是怎么打破時(shí)間平移對(duì)稱性的呢？

一般的晶體是一群原子或者分子按照一定的規(guī)則在三維空間內(nèi)呈周期性的有序排列，也就是說晶體在空間的三個(gè)維度內(nèi)是對(duì)稱的。而時(shí)間晶體除了在空間內(nèi)對(duì)稱以外，它在時(shí)間上也是對(duì)稱的，因?yàn)榻M成它的原子一直在不停地做關(guān)于時(shí)間的周期性的位置移動(dòng)，呈現(xiàn)一種周而復(fù)始的位置變化。就像鬧鐘的指針一樣，隨著時(shí)間循環(huán)往復(fù)。

因?yàn)閮?nèi)部原子的位置發(fā)生了變化，其結(jié)構(gòu)也會(huì)有所改變，所以時(shí)間晶體在沒有外界干擾的情況下，在不同的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)所得到的物理規(guī)律會(huì)發(fā)生變化，這也就意味著時(shí)間晶體不遵循時(shí)間平移對(duì)稱性。

時(shí)間平移對(duì)稱性被打破，能量是不是也可以不守恒了？事情好像確實(shí)是這樣——時(shí)間晶體不需要接受外界能量，內(nèi)部的周期性位置變化將一直永遠(yuǎn)持續(xù)下去。有科學(xué)家表示，時(shí)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(huì)改變。這就令人感覺非常奇怪，時(shí)間晶體是一種新型永動(dòng)機(jī)嗎？

出乎我們意料的是，時(shí)間晶體之所以不會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樗鼰o法釋放出能量，時(shí)間晶體其實(shí)是遵守能量守恒定律的！這是怎么回事呢？其實(shí)，物體之所以會(huì)停止運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樗鼈冊(cè)谶\(yùn)動(dòng)過程中一直在釋放能量，導(dǎo)致它們的能量一直減少，最后沒有足夠的能量維持運(yùn)動(dòng)。而時(shí)間晶體已經(jīng)處于一種能量最低的狀態(tài)，雖然里面的粒子在運(yùn)動(dòng)，但是卻無法往外釋放能量，導(dǎo)致其內(nèi)部仍然處于一種能量守恒的狀態(tài)。而且，時(shí)間晶體沒有向外做功，它就不屬于永動(dòng)機(jī)了。