“永動機”這個詞——自19世紀中期以來一直被科學家嘲笑的概念——和“物理學諾貝爾獎獲得者弗蘭克·維爾切克”似乎不應該出現在同一個句子中。但是，如果維爾切克關於對稱性和時間本質的最新想法是正確的，那麼它們將暗示一種真實的永動機的存在——儘管這種永動機永遠無法提取能量。他提出物質可以形成“時間晶體”，其結構會像普通晶體一樣週期性重複，但重複的是時間而不是空間。這樣的晶體將代表一種先前未知的物質狀態，並且可能在早期宇宙冷卻、失去其原始對稱性時出現。
維爾切克在他的這篇文章和與肯塔基大學的阿爾弗雷德·沙佩爾合著的這篇文章中描述了他的工作，這兩篇文章於2月12日釋出在物理學預印本伺服器arXiv.org上。
“這些論文字身非常值得尊敬，毫無疑問是正確的，而且很有趣，”加州理工學院的宇宙學家肖恩·卡羅爾說。
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維爾切克因其在發展量子色動力學方面開創性的工作而聞名，量子色動力學是解釋原子核內部粒子如何結合在一起的理論。馬薩諸塞理工學院的教授維爾切克說，他是在兩年前教授群論課程時得到這個最新想法的。群論這個數學分支使用矩陣來描述基本粒子家族中固有的對稱性，它也描述和分類晶體的結構。諸如處於平衡狀態的液體或氣體之類的物質，由均勻分佈的粒子組成，表現出完美的空間對稱性——它們在任何地方和任何方向看起來都一樣。
但是，在非常低或最小的能量下，大多數材料無法保持這種對稱性，它們會結晶。晶體的規則幾何圖案缺乏完全的空間對稱性；結構並非在每個地方看起來都一樣。由於晶體的對稱性比以前低，因此物理學家說它們表現出自發對稱破缺。等效的過程發生在物理學的許多領域。一種對稱性破缺，將透過希格斯玻色子的存在來表示，該玻色子目前正在大型強子對撞機中被尋找，它將解釋為什麼亞原子粒子具有質量。
維爾切克說，他開始思考是否可以將普通三維晶體的概念擴充套件到四維，而額外的維度是時間。時間晶體將自發地打破維爾切克所稱的“所有對稱性之母”——時間平移對稱性，它認為物理定律無論在什麼時間都是一樣的。時間晶體將隨著時間而變化，但會回到它開始時的相同形式，就像時鐘的指標週期性地回到其原始位置一樣。
與普通時鐘或其他週期性過程的區別在於，時間晶體（如空間晶體）將處於可能的最小能量狀態。乍一看，這構成了一個矛盾。根據定義，時間晶體必須隨著時間變化，才能打破時間平移對稱性。但是，具有最小能量的系統通常不能移動。如果它可以移動，那麼仍然可以提取額外的能量，直到系統達到真正的最小能量，即靜止狀態。
“起初我認為這很簡單，然後認為這是不可能的，”維爾切克在最近在坦佩的亞利桑那州立大學的講座中指出。“現在我認為它既不簡單也不不可能。”
他和沙佩爾表明，一種材料可以具有零總能量，但仍然處於運動狀態。他們透過數學方法重新定義了動能的通常定義（二分之一質量乘以速度的平方），得到一個不同的但同樣有效的值，該值以另一種方式取決於速度（例如，新增一個額外的項，如速度的四次方，並改變通常動能的符號）。
“我對此感到非常驚訝，”亞利桑那州的理論物理學家馬里克·帕裡克說。“弗蘭克發現了將運動和處於最小能量狀態聯絡起來的微妙例外。”
卡羅爾表示同意：“發現一個在其基態中具有運動的系統很有趣，但這當然沒有違反任何真正珍貴的物理學信念。我準備相信這樣的系統甚至可以在現實世界中構建出來。”
“即使該理論本身不包含任何首選的時間方向，晶體的運動也會‘自發地打破’時間平移對稱性，”錫拉丘茲大學的克里斯蒂安·阿門達里斯·皮孔說，他研究了宇宙學中類似現象的可能性。
一旦開始運動，時間晶體就可以永遠保持運動，而無需外部力量來使其繼續執行。這種型別的永動機不會違反任何已知的物理定律，因為在不首先新增能量的情況下，無法從系統中提取能量。這樣的系統甚至可以被安排來傳遞資訊，這些資訊將在周圍的一切都消亡後仍然存在。
然而，卡羅爾警告說，時間晶體可能不會無限期地存在。即使晶體具有可能的最小能量，它也可能不具有可能的最大熵或無序；被炸成單個粒子並散佈在空間中的晶體會具有更高的熵。如果是這樣，時間晶體最終會遭受這樣的命運，因為宇宙總是向更高的熵演化。“我不認為期望這樣的東西真正永遠持續下去是現實的——但比其他任何東西持續更長時間是完全可以想象的，”卡羅爾說。
維爾切克說，現代技術最接近時間晶體的是載流超導體，這是一種在低溫下攜帶移動的、持續電流的材料。在普通超導電纜中，電流是恆定的，如果實際上沒有任何隨時間變化，那麼超導體就不符合真正晶體的標準。但是，如果工程師能夠構建一個帶電粒子分佈不均勻的超導體，那麼當電流流動時，這些不規則的粒子會移動，並且持續電流會隨著時間變化。
阿門達里斯·皮孔說，時間晶體的概念可能會揭示如何用對稱理論來描述時間上不對稱的自然現象。它甚至可以應用於宇宙的起源和演化。“人們可以將這些（時間）晶體視為一種新的物質形式，而這種物質可能導致了難以理解的現象，例如加速宇宙膨脹的當前階段，”他說。
維爾切克警告說，對於該理論來說，“現在還為時過早”。對於物理學家來說，時間晶體“就像發現了一塊新大陸，”他在最近的一次談話中說。但是，他補充說，這塊新大陸是“新世界還是南極洲，時間會證明一切。”