“永动机”这个词——自19世纪中期以来一直被科学家嘲笑的概念——和“物理学诺贝尔奖获得者弗兰克·维尔切克”似乎不应该出现在同一个句子中。但是，如果维尔切克关于对称性和时间本质的最新想法是正确的，那么它们将暗示一种真实的永动机的存在——尽管这种永动机永远无法提取能量。他提出物质可以形成“时间晶体”，其结构会像普通晶体一样周期性重复，但重复的是时间而不是空间。这样的晶体将代表一种先前未知的物质状态，并且可能在早期宇宙冷却、失去其原始对称性时出现。
维尔切克在他的这篇文章和与肯塔基大学的阿尔弗雷德·沙佩尔合著的这篇文章中描述了他的工作，这两篇文章于2月12日发布在物理学预印本服务器arXiv.org上。
“这些论文本身非常值得尊敬，毫无疑问是正确的，而且很有趣，”加州理工学院的宇宙学家肖恩·卡罗尔说。
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维尔切克因其在发展量子色动力学方面开创性的工作而闻名，量子色动力学是解释原子核内部粒子如何结合在一起的理论。马萨诸塞理工学院的教授维尔切克说，他是在两年前教授群论课程时得到这个最新想法的。群论这个数学分支使用矩阵来描述基本粒子家族中固有的对称性，它也描述和分类晶体的结构。诸如处于平衡状态的液体或气体之类的物质，由均匀分布的粒子组成，表现出完美的空间对称性——它们在任何地方和任何方向看起来都一样。
但是，在非常低或最小的能量下，大多数材料无法保持这种对称性，它们会结晶。晶体的规则几何图案缺乏完全的空间对称性；结构并非在每个地方看起来都一样。由于晶体的对称性比以前低，因此物理学家说它们表现出自发对称破缺。等效的过程发生在物理学的许多领域。一种对称性破缺，将通过希格斯玻色子的存在来表示，该玻色子目前正在大型强子对撞机中被寻找，它将解释为什么亚原子粒子具有质量。
维尔切克说，他开始思考是否可以将普通三维晶体的概念扩展到四维，而额外的维度是时间。时间晶体将自发地打破维尔切克所称的“所有对称性之母”——时间平移对称性，它认为物理定律无论在什么时间都是一样的。时间晶体将随着时间而变化，但会回到它开始时的相同形式，就像时钟的指针周期性地回到其原始位置一样。
与普通时钟或其他周期性过程的区别在于，时间晶体（如空间晶体）将处于可能的最小能量状态。乍一看，这构成了一个矛盾。根据定义，时间晶体必须随着时间变化，才能打破时间平移对称性。但是，具有最小能量的系统通常不能移动。如果它可以移动，那么仍然可以提取额外的能量，直到系统达到真正的最小能量，即静止状态。
“起初我认为这很简单，然后认为这是不可能的，”维尔切克在最近在坦佩的亚利桑那州立大学的讲座中指出。“现在我认为它既不简单也不不可能。”
他和沙佩尔表明，一种材料可以具有零总能量，但仍然处于运动状态。他们通过数学方法重新定义了动能的通常定义（二分之一质量乘以速度的平方），得到一个不同的但同样有效的值，该值以另一种方式取决于速度（例如，添加一个额外的项，如速度的四次方，并改变通常动能的符号）。
“我对此感到非常惊讶，”亚利桑那州的理论物理学家马里克·帕里克说。“弗兰克发现了将运动和处于最小能量状态联系起来的微妙例外。”
卡罗尔表示同意：“发现一个在其基态中具有运动的系统很有趣，但这当然没有违反任何真正珍贵的物理学信念。我准备相信这样的系统甚至可以在现实世界中构建出来。”
“即使该理论本身不包含任何首选的时间方向，晶体的运动也会‘自发地打破’时间平移对称性，”锡拉丘兹大学的克里斯蒂安·阿门达里斯·皮孔说，他研究了宇宙学中类似现象的可能性。
一旦开始运动，时间晶体就可以永远保持运动，而无需外部力量来使其继续运行。这种类型的永动机不会违反任何已知的物理定律，因为在不首先添加能量的情况下，无法从系统中提取能量。这样的系统甚至可以被安排来传递信息，这些信息将在周围的一切都消亡后仍然存在。
然而，卡罗尔警告说，时间晶体可能不会无限期地存在。即使晶体具有可能的最小能量，它也可能不具有可能的最大熵或无序；被炸成单个粒子并散布在空间中的晶体会具有更高的熵。如果是这样，时间晶体最终会遭受这样的命运，因为宇宙总是向更高的熵演化。“我不认为期望这样的东西真正永远持续下去是现实的——但比其他任何东西持续更长时间是完全可以想象的，”卡罗尔说。
维尔切克说，现代技术最接近时间晶体的是载流超导体，这是一种在低温下携带移动的、持续电流的材料。在普通超导电缆中，电流是恒定的，如果实际上没有任何随时间变化，那么超导体就不符合真正晶体的标准。但是，如果工程师能够构建一个带电粒子分布不均匀的超导体，那么当电流流动时，这些不规则的粒子会移动，并且持续电流会随着时间变化。
阿门达里斯·皮孔说，时间晶体的概念可能会揭示如何用对称理论来描述时间上不对称的自然现象。它甚至可以应用于宇宙的起源和演化。“人们可以将这些（时间）晶体视为一种新的物质形式，而这种物质可能导致了难以理解的现象，例如加速宇宙膨胀的当前阶段，”他说。
维尔切克警告说，对于该理论来说，“现在还为时过早”。对于物理学家来说，时间晶体“就像发现了一块新大陆，”他在最近的一次谈话中说。但是，他补充说，这块新大陆是“新世界还是南极洲，时间会证明一切。”