在我们的日常经验里，一个物体最低能量的状态，一定是“静息”的。就像一个小球最终会落在碗的最底部，一个晃来晃去的秋千，最终也会停下来。



可是有一种物质在最低能量的状态下，依然可以像心脏那样，保持周期性跳动的节奏，并且不用消耗额外的能量，这种物质叫作“时间晶体”。



诶，奇怪了，这种不依靠外界能量还持续跳动的物质，不是永动机吗？这不是就违背了能量守恒的原则吗，它到底是什么东西呢？



首先，什么是晶体呢？

食盐、钻石、雪花都是晶体，如果用显微镜去观察它们的原子结构，会发现它们的微观结构不是随意分布的，而是呈现一定的规律，周期性地排列在空间里。比如食盐就是钠离子和氯离子排列成立方体格子，钻石是碳原子排成坚固的四面体网络。

而玻璃、橡胶这些东西是典型的非晶体，它们的原子结构的排列是无序的，在空间分布上，它们没有哪个点是特殊的，不同点位，比如 A 点和B 点都没有突出的典型差异，是一种近似的均匀，在统计学的平均意义下，它保持了空间上的连续对称性。

相比起来，晶体却非常讲究秩序，它的原子在空间中的分布不再是处处一样，A 点和B 点对应着不同的原子排布，并不均匀，它打破了空间的连续对称，而是隔一段距离就重复一次。

于是在 2012 年，有一位诺贝尔物理学奖得主弗兰克威尔切克就想啊，既然空间能结晶，那时间可以结晶吗？这就是时间晶体的由来。

这种构想这就很像一个小球，它第一秒在楼上，第二秒掉落在空中，第三秒掉落在地面，但第四秒又出现在空中，第五秒掉落在空中，第六秒掉落在地面，这样循环往复，像是时间在轮回。

在 2016 年的时候，时间晶体还真在实验室里被找到了，当然不可能是小球这样的宏观物质，而是一种特殊的微观现象。是怎么发现的呢？



科学家把 10 个 镱离子困在真空里，让它们排成一条链子，这些离子都有自旋，自旋跟质量和电荷一样，是一个粒子的内在属性，你可以把这些小粒子想象成带有磁性的小陀螺，小陀螺指针的方向就是自旋，自旋的方向要么指向上方，要么指向下方。

现在科学家用激光脉冲去照射这些离子，就像打节拍，每隔一段时间就照射一次，这些离子接受到脉冲的信号，然后它们的自旋会发生翻转，比如从上翻到下，或者从下翻到上。

正常情况下，假设脉冲波1 秒钟敲打一次，粒子的自旋应该1 秒钟翻转一次，就像有小朋友坐在秋千上，大人在旁边推，大人推一次，秋千动一次。

可奇怪的事情是，这些粒子拒绝跟着脉冲波的节拍，而是自己选了一个舒服的节奏，它们两秒钟或者更长时间才翻转一次，



而且，这个周期性的节奏具有一定的刚性，非常稳定，就算你稍微调快或调慢脉冲光，它们依旧坚持“两秒一翻”的模式。就好像有 10 个手拉手荡秋千的小朋友，它们不可能完全只听大人拍手的节奏，他们会自己在内部形成一种集体的步伐。



这说明，脉冲波对它们是一个外部驱动，而真正的节奏是这些离子自发演化出来的，它的这种隔两秒重复一次的节奏打破了时间平移对称性。



你可能发现了，这个实验跟弗兰克提出来的最低能量态的理想的时间晶体不一样，它依然依靠外部的能量驱动，脉冲光给离子注入能量，驱动离子发生了自旋翻转。



它之所以没有违背能量守恒，是因为它虽然是真空的，但是不能算绝对的孤立系统，而是一个开放系统，而且在这个实验的设计中，故意让脉冲光向晶体注入的能量，和它们耗散的能量是平衡的，



就好像你给我一块钱，我再把这一块钱转移出去，你再给我一块钱，我再把这个钱转移出去，这个能量交换的过程驱动了自旋翻转，但这个过程是没有能量累积的，也没有新增的热量会破坏系统的平衡。



况且，这个时间晶体并没有对外做功，它的跳动也只是内部的量子行为，所以并不违背能量守恒，也不是永动机。威尔切克设想的完美版本，在现实层面也无法实现。



在 2025 年 9 月，也就是前不久，科学家宣布开发了一种可以被肉眼看到的时间晶体，它们把液晶溶液（也就是手机显示屏的常用材料），灌入涂有染料的玻璃片之间，然后用特定的光“照射”它们。



结果在显微镜下出现了一种条纹，这些条纹会随着时间以恒定节拍重复出现，持续很长时间。  也就是说，这不仅是空间里的晶格，而是 “时间里的晶格”，像是时间里长出的花纹。

时间晶体在未来可能会有很多应用，比如防伪，可以创造不同的时间晶体图案，然后用光照一下，就能看到独特的动态纹路，它也能在量子计算机里做超级稳定的存储器，也可以发展出非常精密的时间传感器等等。



其实你看，任何一个听起来非常玄乎的概念，只要你抽丝剥茧，都能理解它的内在逻辑。有一天这个抽象的概念也会从实验室走出来，面向实际的生活应用。