科学探索|特殊的量子系统“时间晶体”：可以永远保持走时精准的钟( 二 ) 特殊的量子系统“时间晶体”

传统的晶体——实际上可以称为“空间晶体”——就是这样一种物质的相。这种晶体的特点就是粒子在空间中有非常规则的排列。在时间晶体中，粒子不仅在空间上排列非常规律，而且在时间上的排列也非常规律。这些粒子可以从一个位置移动到另一个位置，再移动回来，不会减速或失去能量。这和科学家们通常处理的情况完全不同。
换句话说，时间晶体可以随时间改变，但是会持续回到它开始时的形态，就是钟表的指针会周期性地回到其原始位置。但是，与普通钟表和其他周期性过程不同的是，时间晶体和空间晶体同样是一种最低限度的能量状态。我们可以将时间晶体视为一只可以永远保持走时精准的钟，即使在宇宙达到热寂之后也是如此。
超越平衡
我们通常遇到的各种相都有一个共同点：它们处于“热平衡”状态。如果你把一杯热咖啡放在桌面上，它会把热量传递到周围的环境，直到达到和房间一样的温度，然后热量传递就停止了，不再有变化。
但是，如果你小心地在咖啡里加入一层奶油，然后开始搅拌，你就会看到即刻发生的变化。咖啡和奶油会混合成美丽的漩涡，直到整杯液体变成均匀的浅棕色，之后就不会有什么变化了。
这些都是“平衡”的例子，可以认为，处于平衡状态的事物通常不会随着时间而改变。然而，时间晶体违反了这种情况。它会一直处于变化之中，永远持续下去，永远不会达到平衡。
热力学定律的漏洞？
因此，时间晶体构成了一种非平衡相——事实上，时间晶体是这种奇怪物质状态的第一个例子。本质上，时间晶体就像一个不断滴答作响的时钟，既不损失能量，也不需要能量供应来维持运转。
这看起来很像是永动机，似乎违反了热力学定律。不过，热力学第一定律——能量不会被创造或毁灭——在这里没有受到任何挑战，因为我们不能在从时间晶体中提取能量的同时，让它继续运转。在时间晶体中，能量是守恒的，因为没有任何能量被移走。
热力学第二定律指出，随着时间的推移，事物只会变得更加无序。
但这其中存在一个漏洞。热力学第二定律禁止事物随着时间变得更加有序，但并没有说它们不能永远保持当前的无序状态。在日常生活中，我们看不到这种漏洞。这就好比在搅拌咖啡和奶油时，却发现旋转的奶油从未完全与咖啡混合。
时间晶体便是如此。我们在日常生活中看不到这种量子现象，但是它确实存在。
超越时间晶体
量子计算机仍处于起步阶段，但随着它们的改进，物理学家们有望进一步提高对自然规律的基本理解。在此基础上，相关的科学发现有可能转化为技术创新，正如20世纪的物理学成就了数字革命一样。我们的生活可能也会因此呈现全新的面貌。
量子计算机为物理学家提供了一个平台，用来设计和研究自然界中无法发现的全新物质状态。构建出时间晶体之后，科学家们将拥有一种更加有效的全新手段，对复杂的物理属性和大量粒子的复杂相互作用进行研究，或者研究物理学中的“多体问题”——涉及大量粒子构成的微观系统，且粒子之间有相互作用。
【科学探索|特殊的量子系统“时间晶体”：可以永远保持走时精准的钟】当然，时间晶体也可以用于对量子系统的研究，包括量子纠缠现象。在量子纠缠中，对其中一个粒子进行操作时，另一个粒子也会发生相应的变化，即使二者的距离非常遥远。（任天）