「時間晶體（Time Crystal）」
科學家證實一種四維時空物質的存在，其組成結構可以隨著時間改變而自行變化，並推測宇宙中存在著無數超出我們認知的物質結構類型。科學家將這種隨著時間變化而結構發生改變的「四維時空」物質稱為「時間晶體」（time crystals）。
2017年3月最新的一期《自然》雜誌以神秘的「時間晶體（Time Crystal）」作為封面，並發表了兩項造出了時間晶體的獨立研究。時間晶體？這名字讓人一聽就瞬間不明覺厲。那麼，這究竟是什麼東西呢？
要弄明白時間晶體的概念，我們首先要對晶體的定義有個瞭解。所謂晶體，指的是原子或分子在空間上按一定規律呈週期性重複排列的固體。與普通的晶體不同，在時間晶體中，原子則在時間軸上呈週期性重複排列。這就有點像是地球的季節更替，一年四季不斷重複。時間晶體屬於一種全新而又奇特的物質狀態。雖然它們處於持續的振蕩狀態中，但卻沒有能量。
時間晶體是一種四維晶體，在時空中擁有一種週期性結構。時間晶體的主特質是超對稱粒子的超對稱破缺即CPT破壞，粒子在空間軸線非平移運動。可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。2012年初，時間晶體的理論由諾貝爾物理學獎得主麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克提出。
常規晶體是一個三維物體，它們的內部原子按照有規則的順序重複排列而構成。時間晶體是一種四維晶體，在時空中擁有一種週期性結構。一個時間晶體能自發破壞時間平移的對稱性。它可以隨著時間改變，但是會持續回到它開始時的相同形態，就如一個鐘的移動的指標週期性的回到它的原始位置。 與普通的鐘或者其他週期性的過程不同的是，時間晶體和空間晶體一樣會是最低限度的能量的一種狀態。可以將它看作是一隻可以永遠保持走時精確無誤的鐘，即便是在宇宙達到熱寂之後也是如此。
構建一個時空晶體，存在著實際和重要的科學理由：有了這種4維晶體，科學家們將擁有一種全新的，更加有效的手段對複雜的物理屬性和大量粒子的複雜相互作用行為進行研究，或者是研究物理學中所謂的“多體問題”。這種時空晶體同樣可以被用來對量子世界進行研究，如量子糾纏現象，在這種狀態中，當對其中一個粒子進行操作時，另外一個粒子也會相應地發生變化，即便這兩個粒子之間隔開著巨大的距離。
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複性模式在運動。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。
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，然後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後再次進行某些實驗，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。
1、時間晶體的運動應該不消耗任何能量，相反，它應該處於一種穩定的最小能量狀態，就像鑽石和其他傳統的晶體一樣。即使這樣，它仍然是處於一種永動狀態。
2、時間晶體並不違背能量守恆定律。通常情況下，所謂的永動機肯定不會長久，因為它們並不是處於一種基態，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，能量是守恆的，因為沒有任何能量被移走。在這些物體中，但是物體中原子的運動速率並非為零。
2012年年初，時間晶體的概念由諾貝爾獎獲得者，麻省理工學院物理學家弗蘭克·維爾澤克(Frank Wilczek)提出。我們的宇宙是由3個空間維度和1個時間維度構成的，既然存在空間上重複排列的物質，那麼是否也存在時間上重複排列的物質呢？維爾切克經過分析後，認為答案是必然的。不過，很多人對此表示懷疑。畢竟，要讓物質在基態時也能穩定地維持振蕩狀態，這也太不可思議了。然而，有意思的是，最近兩項獨立的研究竟然都造出了神秘的時間晶體。
“時間晶體”中不斷運行的機制通常會違反熱力學定律，超導體中的電子被允許進行連續而不間斷地運行。弗蘭克·維爾澤克最初建議超導環可以看作是一種“時間晶體”，如果電子流可以被分離而不是以一個整體、持續的狀態出現，也可以確保出現週期性的重複。但是弗蘭克·維爾切克並沒有指出如何在現實世界中打造這樣的“時間晶體”超導環。
2012年7月，來自美國加州大學伯克利分校的李統藏博士以及他來自密歇根大學和清華大學的同事們提出了一種新的方案，有可能實現時間晶體的設想。
在一項研究中，馬裏蘭大學和加州大學伯克利分校的研究人員構建了一條由10個鐿離子組成的離子鏈中，用雷射控制了它們的自旋，進而得到了時間晶體。他們發現這些物質儘管在室溫和高能狀態下也不發熱或產生熵。
在另一項獨立的研究中，哈佛大學的研究人員用週期性的微波輻射激發一塊具有100萬個氮-空位中心的鑽石，也製造出了時間晶體。當然，對時間晶體的研究還有很長的路要走，不過這似乎透露出了新的曙光。據研究人員介紹，時間晶體在未來可能會被應用在量子計算機中。(2017年初已証實有兩組實驗科學家，分別製造出了“時間晶體”，這或有助於量子電腦的研發。)
首先需要一個離子阱，這是一種利用電場來將某一帶電粒子固定在某一位置上的裝置。這樣做將可以讓這些離子形成一個環狀的晶體，這是因為當離子在極低溫度條件下被捕獲時，它們會相互排斥。隨後科學家施加一個微弱的靜磁場，它將驅動電子自旋。
量子力學指出，離子的自旋能量必須大於0，即便是在這個電子環已經被冷凍至最低能級的情況下也是如此。在這種狀態下，已經不需要電場和磁場來幫助維持這一晶體的形狀以及組成它的各個離子的自旋。這樣做的結果就是獲得一個時間晶體，或者更準確的說是一個時空晶體，因為這個離子環不但在時間上，在空間上也是不斷重複著自身。
研究人員從理論上推理認為，這種時間晶體可以被用作電腦，它可以用不同的自旋狀態當做傳統計算法中的0和1。利用該系統方案，這一設想將是可能的。
該方案是基於電場離子阱和粒子之間的庫倫斥力構建的。離子阱的電場將帶電粒子固定住，而庫倫斥力讓它們自發地形成一個空間環狀晶體。在一個微弱的靜態磁場作用下，這一環狀離子晶體將開始永無止境的轉動。由於這一時空晶體已經位於最低量子能態，其時間序列，從理論上說將會永遠持續，即便是當宇宙達到熵的極大值，也就是達到“熱寂”狀態時，情況也是一樣。
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