如上圖所示，傳統(tǒng)準(zhǔn)晶體以三維空間形式存在。不過(guò)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，時(shí)空準(zhǔn)晶體理論上也可能存在。

準(zhǔn)晶體是一種性質(zhì)頗為怪異的材料，和晶體一樣，這種材料的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)有序，但又沒有晶體那樣的規(guī)律重復(fù)模式?？茖W(xué)家早已在隕石和第一次原子彈測(cè)試的碎片中發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶體。而現(xiàn)在，他們從理論上發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)晶體甚至可以進(jìn)入一個(gè)更加奇怪的領(lǐng)域：愛因斯坦狹義相對(duì)論中的時(shí)空融合框架。

物理學(xué)家認(rèn)為，在宇宙中，準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)不僅可以以二維、三維的空間形式存在，而且可以成為連接時(shí)間和空間的橋梁。相關(guān)論文于2026年1月提交到了預(yù)印本平臺(tái)上。

雖然準(zhǔn)晶體是理論概念，但研究人員認(rèn)為，時(shí)空準(zhǔn)晶體或許真會(huì)在自然界中出現(xiàn)，甚至可能是支撐整個(gè)宇宙的底層結(jié)構(gòu)。

晶體這種結(jié)構(gòu)的最大特征是自我重復(fù)。如果你復(fù)制某個(gè)晶體，再把復(fù)制品疊放到原晶體上面，會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能嚴(yán)絲合縫地匹配起來(lái)。你可以把這個(gè)過(guò)程想象成貼瓷磚或者貼壁紙。而準(zhǔn)晶體，雖然它們的結(jié)構(gòu)也相當(dāng)有序，但并不存在這樣的完全自我重復(fù)特征。

晶體和準(zhǔn)晶體都是確實(shí)存在于真實(shí)世界的數(shù)學(xué)概念，通常出現(xiàn)在二維或三維材料中。不過(guò)，時(shí)空準(zhǔn)晶體并不必然存在。英國(guó)布里斯托大學(xué)理論物理學(xué)家菲利克斯·弗里克爾（Felix Flicker）說(shuō)：“我原本感覺，時(shí)空準(zhǔn)晶體大概是不成立的，但現(xiàn)在好像已經(jīng)有同行構(gòu)想出來(lái)了。他們構(gòu)造的這種結(jié)構(gòu)是時(shí)空中最優(yōu)雅的事物?！?/p>

雖然準(zhǔn)晶體沒有自我重復(fù)的特征，但它們的有序結(jié)構(gòu)意味著準(zhǔn)晶體的各個(gè)部分都具有相似的特性。如果有一只螞蟻?zhàn)谀硞€(gè)準(zhǔn)晶體的某一部分上，它看到的準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)與另一只螞蟻在不同位置看到的應(yīng)該相似。不過(guò)，這是日常世界中的準(zhǔn)晶體，到了時(shí)空領(lǐng)域，還存不存在這樣的性質(zhì)？

時(shí)空遵循的是洛倫茲對(duì)稱性。這種對(duì)稱性意味著，無(wú)論你是坐著不動(dòng)還是以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，看到的事物性質(zhì)都應(yīng)該是不變的。舉例來(lái)說(shuō)，各種物理定律都應(yīng)該遵守洛倫茲對(duì)稱性：無(wú)論觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)得多快，其適用的物理定律總是不變的。

然而，洛倫茲對(duì)稱性不適用于正常晶體和我們之前所知的那些準(zhǔn)晶體：坐著不動(dòng)的螞蟻看到的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)與以接近光速運(yùn)動(dòng)的螞蟻看到的不同。而在相對(duì)論框架下，高速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)者會(huì)看到物體明顯變短，也即運(yùn)動(dòng)速度扭曲了物質(zhì)結(jié)構(gòu)。

不過(guò)，研究人員構(gòu)想出的這些新時(shí)空準(zhǔn)晶體倒是遵循洛倫茲對(duì)稱性。無(wú)論是坐著不動(dòng)的螞蟻，還是坐在加速上升的火箭上的螞蟻，看到的這種時(shí)空準(zhǔn)晶體都是一樣的。

這些研究人員在高維點(diǎn)格網(wǎng)絡(luò)中截取四維切片，再將各個(gè)點(diǎn)投射到這些四維切片上，通過(guò)這種數(shù)學(xué)方法構(gòu)造出時(shí)空準(zhǔn)晶體的概念。這種四維切片的斜率是無(wú)理數(shù)——一種不能寫成由兩個(gè)整數(shù)構(gòu)成的分?jǐn)?shù)的數(shù)，圓周率π就是一個(gè)無(wú)理數(shù)。而斜率為無(wú)理數(shù)則意味著這些四維切片永遠(yuǎn)不會(huì)與原本那個(gè)高維點(diǎn)格網(wǎng)絡(luò)上的點(diǎn)相交，這就保證了一定會(huì)產(chǎn)生永遠(yuǎn)不重復(fù)的結(jié)構(gòu)。

準(zhǔn)晶體原本是一個(gè)數(shù)學(xué)概念，但研究人員發(fā)現(xiàn)它的確存在于某些現(xiàn)實(shí)材料結(jié)構(gòu)中，并且可能存在于其他任何地方。加拿大滑鐵盧圓周研究所的索迪里斯·米格達(dá)拉斯（Sotiris Mygdalas）說(shuō)：“我們生活的時(shí)空可能就是一個(gè)準(zhǔn)晶體。”他表示，時(shí)空準(zhǔn)晶體可能與某些量子引力理論相關(guān)。這些理論認(rèn)為，在非常小的尺度上，時(shí)空會(huì)分解成一個(gè)個(gè)點(diǎn)。而準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)就是一種能在遵守洛倫茲對(duì)稱性前提下分割時(shí)空的框架。

此外，研究人員還研究了能否把這種時(shí)空準(zhǔn)晶體應(yīng)用于弦理論——這種理論把基本粒子描述成微小的振動(dòng)弦，并且提出宇宙可能有十個(gè)維度。據(jù)此，弦理論的支持者一般會(huì)認(rèn)為，既然我們?nèi)粘Ｉ钣谄渲械挠钪嬷挥腥齻€(gè)空間維度和一個(gè)時(shí)間維度，那么剩下的六個(gè)維度一定蜷曲到了非常小的程度，導(dǎo)致我們無(wú)法與其發(fā)生相互作用。

而準(zhǔn)晶體恰恰提供了一種全部十個(gè)維度都蜷曲起來(lái)的方法，且同時(shí)還能保證看似無(wú)盡的時(shí)空還是我們現(xiàn)在感受到的樣子。只要像構(gòu)建數(shù)學(xué)準(zhǔn)晶體那樣，截取斜率為無(wú)理數(shù)的切片，便能從蜷曲的空間中構(gòu)建出無(wú)限的時(shí)空。

當(dāng)然，這一切目前都還只是初步構(gòu)想，究竟是否能成功還需要更多扎實(shí)工作驗(yàn)證，提出者自己也稱這些想法“半生不熟”。

即便尚不成熟，時(shí)空準(zhǔn)晶體的概念也無(wú)疑是有吸引力的。羅格斯大學(xué)理論物理學(xué)家格里高利·摩爾（Gregory Moore）稱：“時(shí)空準(zhǔn)晶體的概念在數(shù)學(xué)上十分美妙，雖然在物理上還屬于高度猜想，但無(wú)疑值得深入探索?！?/p>

資料來(lái)源：

文章轉(zhuǎn)載自“世界科學(xué)”公眾號(hào)