对称性体现了自然的美与和谐，但是物理体系的稳定状态（基态）却不是对称的。举个简单的例子，在桌子上竖起一支铅笔，理论上铅笔受到的重力垂直向下，在水平面上是对称，也就是说铅笔向任意一个方向倒下的概率相等。这时候铅笔的状态体满足对称性。

　　然而，竖立并不是铅笔能量最低的状态，当一个微小扰动出现，它只能选择一个方向倒下。铅笔倒下的状态能量最低（即基态），也没有了对称性。更一般的来讲，晶体便是一个打破对称性的极佳例子，在不同的方向上看晶体，看到的是不同的样子。这种自然法则对称而物质状态不对称的现象叫做自发对称性破缺。

　　既然空间对称性可以被打破，那么时间对称性为什么不能呢？

Frank Wilczek

　　2012年，诺贝尔奖获得者Frank Wilczek 提出了这个问题。同年他在Physics ReviewLetters上面发表了两篇论文，分别阐述了经典力学和量子力学下的时间对称性破缺的可能性。

　　简单来说，就是通过一种特殊方式，可以让物质的基态处于一种周期中。对应于晶体结构在空间上的周期排列，这种材料在时间上也是“周期排列”的，他给这种材料取了个很形象的名字——时间晶体。值得注意的是，一般晶体在时间这个维度上是连续分布的，在任何一个时刻观察它们都会看到同样的晶体，而时间晶体在不同的时间却有着不同的基态。

　　问题是对称的，解决方案不对称；自然法则是对称的，物质受法则支配的状态不对称，这就是自发对称性破缺。

　　在之后的几年里，很多物理学家对时间晶体的存在依旧持反对态度，因为他们认为，时间晶体必然会引发时间维度上的对称性破缺，而这是不可能的。虽然周期现象在我们的生活中无处不在（钟表，j2直播，地球自转等等），但还无法证明任何一种物质的基态可以在光溜溜的时间轴上打上周期的烙印。

　　时间晶体的本质

　　根据UC Berkeley 物理学家Norman Yao的蓝图，马里兰大学的物理学家第一次用一维的镱离子链造出了时间晶体。每一个离子都像电子那样拥有自旋，它们之间的长程作用力如图中箭头所指。

　　依照Norman Yao的蓝图，马里兰大学的Chris Monroe和他的同事在2016年9月用10个镱离子构建了一条链，这10个镱离子像电子一样具有自旋。也就是说，它们不再各向同性，而是像箭头一样会指向一个特定的方向，并且这些带有自旋的离子在磁场中会发生相互作用。

　　研究人员用两束精确调制的激光脉冲交替照射镱离子链。其中一个脉冲使镱离子的自旋翻转（比如从向上到向下，或者相反），然后紧接着第二个脉冲产生的磁场使其进入混乱的状态，随后又一个脉冲使它们再翻转方向，如此往复。

　　研究人员发现自旋的翻转周期稳定在了驱动周期（T）的2倍长度（2T）。神奇的是，虽然每一次的翻转脉冲完全一样，但镱离子们却自发地偏向了一个与上一个方向不同的方向，而不是选择回去；更神奇的是，即使中途稍微改变一下脉冲的频率，镱离子仍然严格地以2T为周期翻转。这正是Norman Yao的论文中时间晶体必须具备的性质。

　　镱离子在两个脉冲下实现周期性翻转。脉冲频率是T，atv直播，自旋系统频率是2T。脉冲频率的微波改变并不会影响镱离子的番频率。

　　“当你晃动一个果冻，然后发现它以一个不同的频率作为回应，这难道不奇妙吗？”Norman Yao说。“但这就是时间晶体的本质，你的驱动周期为T，但是当系统达到同步后你却观察到它在以一个比T大的周期振动。”