2012年，诺贝尔奖得主弗兰克·威尔切克提出了一个激进的想法：一种不仅在空间中重复、而且在时间中也重复的晶体，一种自发产生周期性运动的物质相，就像一个永不停止的钟摆，无需周期性推动。这一想法受到了激烈的理论审视，多年来，威尔切克的”时间晶体”似乎可能在热平衡下不可能存在。但自2017年以来的一系列卓越实验证明了相反的情况，首先是在 trapped ions 中的离散时间晶体，随后是在原子-腔系统中的连续时间晶体。
现在，上海交通大学的研究人员迈出了下一步：他们构建了一个肉眼可见的宏观经典时空晶体，并首次观察了它的融化过程。
这项实验发表在PNAS上，由Matteo Baggioli和张洁领导，涉及大约10,000个3D打印的圆盘形粒子，每个粒子相当于一枚大硬币的大小（直径8.8毫米），放置在一个约50厘米（20英寸）宽的振动铝板上。每个粒子有六个交替倾斜的支腿（就像一个小转子）和一个用于跟踪方向的标记点。当板以100 Hz（约为地球重力3倍的加速度）振动时，倾斜支腿与板之间的碰撞产生主动力，使粒子开始运动。
在高密度下，非凡的事情发生了：所有10,000个粒子自发同步成一个单一的、连贯的刚体旋转，周期约为4.7至5.5小时，比100 Hz驱动慢了大约六个数量级。该系统自发地打破了连续时间平移对称性：它选择了自己的节奏。傅里叶谱显示在约5.5×10⁻⁵ Hz处有一个尖锐的峰值，确认了真正的时间周期性秩序。这种旋转持续近一整天（仅受设备限制），并能承受强烈的声学噪声注入。在七个较小副本的对照实验中，起始时间和旋转方向是随机的，证实了有序化的自发性质。
三阶段瓦解过程
论文的核心见解来自于研究人员降低粒子密度时发生的情况。通过从板上缓慢移除粒子（降低填充率），他们观察到时空晶体通过三个不同阶段融化，这是任何时空晶体系统中从未观察到的进展。
在第一阶段，填充率约为0.734时，系统进入研究人员称之为”T-共存”的状态。时间（时间晶体）秩序开始瓦解：板的一些区域继续连贯旋转，而其他区域变得时间无序。与此同时，空间晶格已经从一个晶体融化成六角相，这是一种具有准长程取向序但只有弱平移序的状态，是Kosterlitz、Thouless、Halperin、Nelson和Young的经典二维融化理论中常见的中介状态。
在第二阶段，填充率约为0.709时，时间秩序完全丧失；不再有连贯的旋转。此时空间秩序开始自身的崩溃，进入团队称之为”S-共存”的状态：六角域和流体域在板上共存。
在第三阶段，填充率低于0.687时，所有空间秩序消失，系统变成进行随机布朗运动的各向同性流体粒子。
“最惊人的发现是空间秩序和时间秩序解耦，它们通过完全不同的机制融化，”共同第一作者刘国庆说。”时间秩序是通过多体相互作用减弱时方向持久性的丧失而被破坏的，而空间秩序则经历了经典的KTHNY缺陷介导融化场景。”
为何重要
该实验提供了时空晶体的第一个完整实验相图。先前的工作集中在实现这些奇特的物质状态上；没有人系统地研究过它们如何崩溃。
空间和时间对称性破缺的解耦是一个基本的物理洞察。这表明，时空晶体尽管有其名称，但并不是一个秩序共同维持或崩溃的统一对象。空间和时间中的两种周期性由不同的物理机制支撑，可以独立地被破坏。
“这是一个经典系统，而不是量子系统，”Baggioli指出。”但对称性破缺的原理是普遍的。我们能够在一个使用3D打印部件的桌面实验中观察到这些效应，这非常了不起。”
这项工作还开辟了一个新方向：研究广为人知的空间相的时间类比。例如，六角相有一个时间对应物，”时间六角相”，可能在T-共存区域中可观测到。时空晶体的相图概念现在是一个具体的实验追求，而非理论抽象。
有几个注意事项值得指出。系统中的旋转始终是逆时针的，这是一个小实验缺陷的产物，而不是真正的自发手性破缺。该系统是一个经典的、驱动的、非平衡稳态，并非威尔切克最初设想的那种量子时间晶体。具体的融化场景可能取决于颗粒系统耗散和驱动机制的细节。
尽管如此，该实验证明了一个经典的时空晶体可以被构建、观察和系统地拆解，这是威尔切克14年前首次提出这一概念时看起来像科幻小说般的壮举。
来源： Liu, G., Bai, J., Baggioli, M. & Zhang, J. “Three-stage melting of a macroscopic continuous spacetime crystal.” PNAS 123(27), e2613063123 (2026). DOI：10.1073/pnas.2613063123
婷 翻译