物理学家打算在一种叫“离子阱”的设备内部制造一种叫“时间晶体”的物质，这种理论上的物质不需要消耗外界的能量就能够做循环运动。（图片：哈特穆特 哈夫纳）

在2012年的二月，诺贝尔奖得主物理学家弗兰克 维尔切克打算公布一个奇怪的并且有点儿令人为难的观点，甚至他自己都为此而担心呢，因为它似乎是不太可能的，维尔切克发现了一个证明“时间晶体”存在的明显证据——周期性运动的物理结构，就像时针围着钟表运转一样，并且它不需要消耗外界能量，甚至不会放慢速度。与钟表或者其它的已知物质不同的是，“时间晶体”不是从存贮的能量中获得动能，而是利用“打破其时间上的对称性”来获取的，从而使其特殊的“永恒运动”模式得以实现。

麻省理工大学教授维尔切克说：“大多数的物理研究是以往已消失物质的延续，但是这个却不同，它是前所未有的。”        

（原版文章经《西蒙斯科技新闻》许可后才能转裁，《西蒙斯科技新闻》是西蒙斯基金会网站下的一个独立编辑部门，基金会为数学，物理和生命科学等领域提供发展资金，以此意在提高公众对于科学知识的认知能力）

维尔切克的想法没有获得来自物理学界的明确反应。他是一个杰出的教授，以往他就通晓一些还处于发展中的奇特理论，但是这些理论随后就进入了主流科学，其中包括被称为“轴子”和“任意子”的粒子的存在。并且还发现了如今被世人所知的“渐近自由性”即“核力的性质”。（他因此而在2004年获得了诺贝尔物理学奖）。但是“永恒运动”被“物理学基本定律”认为是不可能的，很难被相信。这是一项重大突破或者根本就是一个错误的逻辑呢？雅格布 扎克热夫斯基，他不仅是一个物理教授，并且还是波兰克拉科夫雅盖隆大学“原子光学”的学科带头人，在维尔切克发表言论之后，提出了一个看法，他说：“简单的讲，我不太了解。”

对于科学家来说，现在科技的进步让此项实验变成了可能。他们计划制造一个“时间晶体”，它不是假想中那个能够永远提供能量的“永动机”（因为发明家已经为此徒劳无功了一千多前），而是它自身产生一个更好的时间理论。

1.疯狂的概念    

2010年当时维尔切克正在准备一场课堂讲座，继而突然有了这个想法。他说：“我当时想到了晶体的分类，然后又联想到把“时间”和“空间”结合在一起。所以如果你想到了“空间晶体”，那马上会很自然的联想到结晶形态的类比。

当物质结晶时，它的原子就会成自然有序的“点阵”排列，堆成一排排的三维圆柱体。每一个原子占据一个“点阵位置”，原子间的相互作用力可以防止它们占据彼此之间的空隙。因为原子排列是有间断的，不是一直连续的，在哪里出现是有相应选择的，所以晶体被称为是”打破了自然界空间的对称性”。——常规来讲，空间中的位置，其大小都是等量的。那么自然界暂时的对称又怎样呢？——规律就是，稳定物质能跨越时空而保持不变。

诺贝尔物理学奖得主弗兰克 维尔切克一向研究奇特的理论，这些理论最后还是进入了科学界的主流。他说：“当然了，不是我提出的每一个理论都能成功。”（图片：弗兰克 维尔切克）。

维尔切克思花了几个月的时间来思考这个理论的可行性。最终他的方程式证明了多个原子确实能够形成一个规则的循环点阵，在离散区间之后（不是连续的），这些原子会返回自身最初的位置，因此而打破了时间的对称性。在不用消耗或者向外产生能量的情况下，“时间晶体”会达到稳定状态，物理学家把这个叫做“基态”，在不考虑结构上的周期变化的情况下，这种状态就可以诠释成“永恒运动。

加洲大学伯克利分校的“量子物理”学家哈特穆特说：“对于一个物理学家来说，考虑“时间依赖”的“基态”真的是一种疯狂的概念。“基态”的定义是“能量为零”的状态，但是如果状态为“时间依赖”的话，这就意谓着存在能量转换或者某种物质正在改变。有物体在做圆周运动。”

在没有消耗外界能量的前提下，物质是如何运动的，并且它是怎样保持永久运动的呢？这似乎太荒唐了——对公认的物理学定律的显著突破。但是维尔切克关于“量子”与“经典时间晶体”的两篇论文（后者是与肯塔基洲立大学的阿尔弗雷德 · 夏佩尔合著而成），好不容易地通过了专家评审小组的审议并且在2012年的十月公开发表在《物理评论快报》上。在自然界中是否存在着“打破时间对称性”的物质，维尔切克对此没有发表言论，但是他想过让实验人员尝试着把它制造出来。

他说：“这就像你画了好几个靶并且等着箭击中它们一样，对于这种已认定的“形为”来说，如果存在不合逻辑的东西，那么我期望它能被人所了解。”

  2. 重大实验

六月份的时候，一群物理学家打算用一种连续旋转的由已变的原子或离子构成的圆环制造出一个“时间晶体”，此专家团队由伯克利的“纳米构筑”工程师张翔，物理学家李统藏（在团队中担任博士后研究员，并且他说在看维尔切克的论文之前，对这个观点持轻视态度）带领。这个团队的文章和维尔切克的论文一起被发表在《物理评论快报》上。

从那以后，独立评论家帕特里克 布鲁诺（理论物理学家，他在法国供职于“欧洲同步加速辐射装置”机构）在学术文献上发表了不同的观点。他认为维尔切克与其团队的错误就在于：用能量被激发后的状态来鉴定物质的“时间依赖”形为，而不是用它们的“基态”来鉴定。毋庸置疑的是，当有多余能量的物体做圆周运动时，随着能量的消耗，物体的运动也会随之减退。要想成为“时间晶体”，一个物体就必须以“基态”的形式做“永久运动”。

布鲁诺的评论和维尔切克的回应都刊登在2013年3月的《物理评论快报》上。布鲁诺证明了低能量状态是可行的， 但前提是在一个特定的模型系统下方能实现，而这种模型系统就是维尔切克当初所计划的，类似于一个“量子时间晶体”的假定样本。维尔切克曾说，尽管样本不是“时间晶体”，但是他认为基本概念是没有问题的，不会因为这个错误而产生任何的疑虑。

布鲁诺说：“我虽然证明了样本是不正确的，但是目前为止，我还没有普遍的证据。

单凭理论基础而言，此争论是不会解决的，扎克热夫斯基说：“关键性的突破还要依靠我们聪明的实验人员来解决。”

哈夫纳是与张翔在一起工作的主要研究人员，从他口中得知，由伯克利科学家负责的国际小组正在准备进行一个复杂的室内实验，然而它可能会花费大约三年以上的时间甚至是遥遥无期。希望“时间晶体”能推动物理学的发展，从而使其超越精准但似乎又存在缺陷的“量子力学”定律，并且能引领我们建立一个更加广阔的理论。

李统藏说：“继爱因斯坦之后，我能否作出新的贡献，对此我十分感兴趣。而且“量子力学”并不完善。”

3.建立一个离子环

在爱因斯坦的广义相对论中（相对论的主体规定了重力和宇宙方面的大多数构造），“时间和空间的维度”交缠在一起形成同样的构造，被称为“时空”。但是在“量子力学”中（此定律规定了亚原子范围内的相互作用），“时间的维度”与“空间的三个维度”相比，它以一种不同的方式被呈现出来。扎克热夫斯基说：“它体现出一种不对称性，这种不对称性破坏了美感令人讨厌。”

这种另类的时间的处理方式也许会引起“广义相对论”与“量子力学”之间的不相容，因而会出现一个可以涵盖所有理论的“量子引力”定律（这个定律被广泛地视为理论物理学的主要目标），所以至少二者之中的一个必须改变。时间的哪个概念是正确的呢？

哈夫纳说：“ 如果“时间晶体”能够用常规晶体打破“空间对称性”的方式，来打破“时间对称性”的话，那么这说明在自然界中，那两个量似乎具有了相似的属性，而且最终会在理论中有所反映。”这表明“量子力学”不能完全适用于各种情况，而且那个更加合理的量子理论也许能把时间和空间视为同一个构造物的两条线。

在加洲大学伯克利分校  ，一张关于“时间晶体”实验的图解已经被设计出来了。用电场把钙离子聚集到一个宽100微米的“陷阱”中，在那里它们将会形成一个“晶体环”。科学家们认为“静磁场”能让这个环旋转起来。

（图片：哈特穆特 哈夫纳）

由伯克利分校领导的小组打算把100个钙离子注入一个由电极环绕的小房间，然后以此来创造一个“时间晶体”。由电极产生的电场会把这些离子聚集到一个100微米宽的“陷阱”中，或者说它大概有人的一根头发那么宽。科学家们必须精确的校准电极使其能够抚平电场。就像同种电荷相互排斥一样，这些离子也会彼此相隔，并且环绕在“陷阱”的外侧边缘上，形成一个“晶体环”。

开始的时候，那些离子会处于激发状态，从而产生颤动。就如同DVD播放器里的二极管激光器一样，研究人员会用二极管激光器来慢慢地分散它们多余的动能。根据研究小组的计算结果，当离子被激光冷却到大约绝对零度以上的十亿分之一度时，“离子环”  就会停留在它的“基态”状态下。越是接近这个的温度，整个体系就会受“陷阱电极”散发出的背景热量所干扰。但是在九月份的时候，一个突破性的技术产生了，这种技术用于清除电极的表面杂质，从而能使“离子阱”的背景热量”降低100倍。哈夫纳说“确实如此，我们需要借此来完成实验。”

接下来，研究人员会在“陷阱”中开通“静磁场”，按照他们的理论，这个“陷阱”会引发“离子”的旋转运动（这种运动会永远持续下去）。如果每一步都能按照预计来实行，那么这些离子就会持续做着圆周运动并且在固定的时间间隔内回到它们的起点，因此而形成一个定期循环的并打破了”暂时对称性“的“点阵”。

为了能看到这个环的旋转运动，科学家们将运用激光来点射一个离子，让它所处的“电子态”与其它99个离子的“电子态”有所不同，从而通过此法来有效地标注这个离子。当其它的离子被第二次的激光弄得变暗时，它会保持着明亮（从而能显示它的位置）。

如果这个明亮的离子以稳定的状态围绕着此环做圆周运动，那么科学家将会第一次证明“时间的平移对称性“是可以打破的。李说：“它将挑战我们以往传统的看法。但是首先我们必须证明它是存在的。”

在没有证明它存在以前，一些科学家对此将深表怀疑。布鲁诺说：“我个个认为在“基态”的状态下，基本上是不可能检测到运动的。他们也许能在环状“陷阱”中制造一个离子环，并且据此产生一些有趣的物理现象。但是他们将不会看到与他们之前宣称的一样的“永远运转的时钟”（永恒的周期运动）。”

（原版文章经《西蒙斯科技新闻》许可后才能转裁，《西蒙斯科技新闻》是西蒙斯基金会网站下的一个独立编辑部门，基金会为数学，物理和生命科学等领域提供发展资金，以此意在提高公众对于科学知识的认知能力）